天津大学：一维开放的二氧化钛纳米管用于快速和长寿命钠离子电池

具有优异性能的无机材料结构在快速和长寿命储能装置中引起人们广泛的研究兴趣。纳米结构二氧化钛（TiO2）作为典型氧化物之一，由于其结构稳定、使用安全和成本低廉，成为钠离子电池（SIB）负极材料的研究热点。一维（1D）TiO2纳米管由于具有大表面积、快速电子/离子传输和短离子扩散路径等性质引起了研究者的极大关注。为了充分发挥1D TiO2纳米管在超快充电钠离子电池中应用的优势，需要设计新颖的结构和简便的制备方法。

最近，天津大学赵乃勤教授和澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授团队合作开发了一种简便的凝胶衍生方法，首次合成出1D细长的非封闭纳米管结构，呈高纵横比和开放管状，由锐钛矿/青铜矿TiO2纳米晶壁组成，具有优异的电子/离子传输和反应动力学性质。作为SIB的负极材料，该结构表现出优良的倍率和长循环性能：在电流密度16 C下循环4000次后仍具有107 mAh g-1的容量，在32 C时容量为94 mAh g-1。这种新颖的纳米结构所表现出的特性在超快和长寿命充电电池方面将具有很好的应用潜力。该成果近期发表在国际顶级期刊Advanced Materials上（影响因子：21.950）。

该成果的核心内容是：首先，利用溶胶凝胶法，设计合成了宽为80 nm，厚为13 nm，长达数十微米的1D细长的纳米带结构（图1a-c）；然后通过简单的煅烧过程，1D细长的纳米带结构在400 °C形成了非封闭纳米管（SNT）（图1d），其长度达数十微米、直径为25 nm，厚度为7.8 nm（图2a-c）。进一步表征发现：TiO2 SNT由细小的锐钛矿/青铜矿TiO2纳米晶壁构成（图2d）。该纳米材料的结构形貌和材料组成上的特点赋予了其特殊的性质：高纵横比和内部开放的管状1D纳米结构保证了高的比表面积和电子/离子传输性质；锐钛矿/青铜矿TiO2纳米晶壁进一步提高了电子/离子扩散和钠离子存储位点。因此，将TiO2 SNT应用钠离子电池负极时，获得了优良的倍率和长循环性能（图3）。

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图1. a）SEM图像，b）TEM图像，和c）CH3COO- [Ti-O-Ti] -OBu凝胶的HRTEM图像。d）由凝胶转化的TiO2 SNT的制备的示意图。

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图2. a）SEM图像，b）TEM图像和相应的SAED图案，c，d）TiO2 SNT的HRTEM图像。 （b）中的插图是子纳米管横截面的示意图；（b）中的字母h，R和α分别表示SNT壁厚，外SNT半径和滚动弧度； A，B和（d）中的线分别代表锐钛矿，青铜矿和微晶界面。

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图3. Na半电池的TiO2 SNT的电化学性质：a）CV曲线。b）Am-TiO2 SNT，TiO2 SNT和Pa-TiO2 SNT的速率性能。c）16 C下的长寿命循环性能。 d）不同速率下的CV曲线和相应的e）电容贡献。1 C = 335 mAh g-1。

该论文第一作者是我院与阿德莱德大学联合培养的博士生陈彪，通讯作者是赵乃勤教授和乔世璋教授。该研究得到了国家自然基金委，澳大利亚研究理事会，国家留学基金委等资金支持。