【《设缺陷二氧化钛计概述》1500字】

设缺陷二氧化钛计概述1.1氧空位缺陷引进氧空位可以帮助提升导电性。因为TiO2本征导电性较差，氧缺陷能够改变电极材料的带隙特征，从而改善其电子和离子传递效率，提高实际应用性能。引入氧缺陷也就是经过特殊的实验条件使TiO2晶格中的氧原子与钛的结合键断裂，原有位置产生空缺。近年来，使用氧缺陷来改善TiO2基钠离子电池负极材料性能的探索和实验有很多。例如，2020年Ni等人[58]利用简单的非原位静电纺丝方法，将氧空位（Vo）引入到TiO2结构（F-TiO2-x）中，制备了一种柔性的SIBs负极材料。由于氮掺杂碳纳米纤维（CNFs）中的氧空位，F-TiO2-x电极在0.1C下可逆性也十分优越，为353mAhg-1，即使在较高的电流密度1C下，循环1000圈后都可获得331mAhg-1的容量。图1.12F-TiO2-x的实验过程示意图及F-TiO2-x和TiO2-raw样品的形貌和结构特征氧缺陷可以改善TiO2的电导率，此外，TiO2晶格层间距也会变大，这是由于Ti3+离子半径比Ti4+离子半径要大，这样可以提高钠离子的插入和提取的效率。Zhang等人成功地制备了由氧空位（OVs）引入的蓝色TiO2(B)纳米带（B-TiO2（B）），相比原始W-TiO2(B)电极，B-Tio2（B）电极具有明显优越的储钠性能[59]。通过原位x射线衍射仪分析光谱也证实了OVs激发的增大层间距有利于容纳钠离子的插入和脱出，从而加速其存储动力学，并保持其原始的晶体结构。图1.13钠离子插入TiO2（B）和TiO2（B）-OVs的结构模型1.2非金属元素掺杂二氧化钛掺杂异种元素可以提高电子和离子电导率。引入非金属元素也是提高二氧化钛导电性进而提升应用机能的一种方法。近年来，把非金属原子引入TiO2晶格中也是常见的改变性质方法，该类元素主要包含氮（N）、硫（S）、氟（F）、硼（B）等元素。其中，氮掺杂是最常见、运用最多的手段。例如，He等人[60]采用简单的机械球磨法制备了氮掺杂金红石型TiO2/C。值得注意的是，氮成功地掺杂到TiO2晶格中，带来了氧空位的引入，并在TiO2表面形成了一层薄薄的TiO2-xNy化合物，这有利于提高其本征导电性，从而增加电池容量。图1.14N-dopedTiO2/C微观形貌和结构示意图以及循环稳定性硫原子的引入也能改进TiO2的储钠机制。2019年，Wang课题组[54]基于“静电相互作用诱导的自组装”机理提出在大面积碳板上生长硫掺杂的锐钛矿型TiO2纳米颗粒（称为S-TiO2/CS），作为SIBs的负极材料。由于硫的电负性较低（相对于氧），Ti-S的离子性较弱（相对于Ti-O）可能会收缩TiO2的能带能量，提高TiO2的电导率。碳片与硫掺杂的结合，旨在促进电子转移。当应用于SIBs的负极时，其可逆容量在0.5C可达293.5mAhg-1，2C平均值为256.4mAhg-1。图1.15S-TiO2/CS复合材料示意图1.3金属元素掺杂二氧化钛此外，研究者们还研究了Mo6+、Nb5+、Ni2+等金属元素作为掺杂元素来调节TiO2的电化学性能[61-63]。外来金属元素的掺杂可以提高电子导电性，这是由于价金属离子产生的间隙氧缺陷和空位造成的。同时，晶格膨胀引起的晶格失真改善了钠离子的扩散机制。例如，Lai等人[64]采用湿化学法制备了Fe掺杂的锐钛矿相TiO2和非晶态碳复合材料（FC-TiO2）作为SIBs的高功率负极材料。Fe原子取代Ti的晶格，位于晶体体相和表面层中，这大大缩小了带隙，抑制了TiO2晶粒的生长。同时，剩余的碳原子也能够导电。基于这些优点，锐钛矿型TiO2的电导率明显提高，这种具备介孔结构（12.6nm）和相对较高的比表面积（63m2g-1）的FC-TiO2显示了杰出的循环稳定性，在0.1Ag-1时经过50次极化，容量超过304mAhg-1。图1.16FC-TiO2的合成工艺示意图及1Ag-1电流密度下的循环性能Usui等人[62]首次发现了铌（Nb）掺杂到金红石相TiO2中可以有效地改善阳极性能。由于Nb5+比Ti4+的离子半径大，Nb的掺杂提高了Na+的电导率，拓宽了Na+的扩散路径。他们使用四异丙醇钛和十二烷基硫酸钠作为Nb源和TiO2前驱体通过水热法制备了Nb掺杂金红石型TiO2。Nb掺杂TiO2中氧空位的引入显著