【《二氧化钛复合材料设计概述》1300字】

二氧化钛复合材料设计概述1.1二氧化钛与碳基材料复合TiO2的导电性限制了它的电化学性能，TiO2与碳纳米材料结合为一种材料能起到改善导电性的作用。由于碳便宜且容易制备，与碳结合已被证明是一种有效、容易的构建导电网络的方法。最简单获得碳包覆二氧化钛复合材料的方法是通过直接将含有有机成分的前驱体在惰性气氛中煅烧转化成碳，或者将制备好的二氧化钛与碳前驱体混合，最后在惰性氛围下煅烧，得到复合材料。比如，以聚偏氟乙烯（PVDF）为碳前驱体，通过碳包覆的非晶态TiO2固体球（AmTSS）煅烧得到碳包覆TiO2空心球（CCAnTHS）[54]，将TiO2/C复合材料用于SIBs负极获得了良好的性能。即使是在25C高速率下，80个循环后仍能达到84.9mAhg-1的容量。图1.7CCAnTHS复合材料制备示意图将碳材料作为基体，在其表面或内部生长TiO2也是一类可获得TiO2/C复合材料的常规方法。Lu课题组[55]通过微波辅助手段制备了附着在石墨烯介笼上的类单晶锐钛矿相二氧化钛作为钠离子存储材料。纳米复合材料的结构提高了电荷传递速度，且行为可逆，结构降解可忽略。该TiO2/C材料在0.2C的容量为268mAhg−1，在10C条件转18000次后容量仍能有126mAhg−1。图1.8TiO2/石墨烯的（A）SEM图像，（B）透射电镜图像和（C）循环性能还原氧化石墨烯（RGO）优势十分明显，如传导电流能力强、空隙率高、热力学优越和化学稳定性好等。因此经常拿来制造杂化材料。将二氧化钛或者钛前驱体掺入含有还原氧化石墨烯或者氧化石墨烯的溶液，然后进行原位水热/溶剂热反应或水解处理，在惰性气体中退火，就可以制备TiO2@rGO纳米复合材料。在TiO2原位合成过程中，石墨烯薄片上的含氧官能团作为TiO2生长的成核位点，TiO2纳米颗粒均匀地锚定在还原氧化石墨烯薄片上，这同时能够阻止还原氧化石墨烯薄片的堆积。制备方法的改进使得TiO2@rGO形成特殊的形貌。氮掺杂可以进一步提升导电性和载流子迁移率。Qin等人制备了氮掺杂石墨烯负载空心锐钛矿TiO2复合材料[56]。将尿素加入钛前驱体与氧化石墨烯的混合物中，经过水热和煅烧两个步骤完成。尿素不仅保持了TiO2均匀的中空结构，而且还充当氮源进入石墨烯中，这种高比表面积的分级多孔纳米结构氮掺杂石墨烯负载的TiO2表现了很好的倍率性能。多孔的N掺杂石墨烯网络阻碍了TiO2纳米粒子的团聚，纳米复合材料的层次结构缩短了钠离子的扩散长度同时提高了TiO2基电极的导电性，实现了容量的增强和快速的放电和充放电速率。图1.9G-TiO2-N纳米粒子的合成过程示意图1.2二氧化钛与其他材料复合为使TiO2的导电能力改良，将TiO2与碳材料结合是最普遍的手段。碳材料也可以替换为其他导电比较好的物质，比如金属。例如，Yue等人设计并制备了纳米级Cu/Ni/TiO2复合材料[57]作为锂离子电池的负极，它由锐钛矿型TiO2和金属集流器组成。Cu/Ni/TiO2复合材料的锂离子能量存储表现突出，在0.1C，放电比容量为283.3mAhg-1，100次极化后能力保持原来的75.8%。结果表明，活性TiO2纳米粒子与分级Cu/Ni集流体的协同作用对材料的电化学性能起着重要作用。图1.10（a）Cu/Ni-A和Cu/Ni-F在0.1C下循环100圈的容量性能比较，（b）Cu/Ni-F的速率性能，（c）Cu/Ni-F在3C下循环500圈的性能，（d）EIS测试图谱对于上文Cu/Ni/TiO2纳米颗粒负极，Cu/Ni是作为集流体的，而不是作为活性物质提供容量。而实际上，TiO2也可以与电池中作为活性物质的材料（如Sn、Sb等）进行复合。Nie等人通过静电纺丝工艺制备了TiO2-Sn/C复合纳米纤维（TiO2-Sn/CNFs）[38]，制备的纳米纤维结合了TiO2和Sn的优点，高倍率性能没有损坏，容量也提升了。纳米纤维结构比表面积很大，电解液离子更容易触及，离子和电子运动就更为便利。同时，锐钛矿型TiO2和