碳化钛纳米化后，具有的高价值潜力应用 - 技术科普 - 新闻动态

碳化鈦納米化后，具有的高價值潛力應用

日期：2022-05-30 瀏覽次數：次

我們熟知的碳化鈦（TiC）是典型的過渡金屬碳化物，擁有高熔點、高硬度、高楊氏模量、高化學穩定性、耐磨和耐腐蝕、良好的電導和熱導等特性，因此其在切削刀具、宇航部件、耐磨涂層、泡沫陶瓷和紅外輻射陶瓷材料等方面有著廣泛的用途和巨大的潛力。

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TiC金屬陶瓷粒

但近些年隨著研究的開展，二維碳化鈦納米材料逐漸引起關注，這是一種類石墨烯結構，具有很高的應用價值。這種結構由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化鈦構成，化學式是Ti_n+1C_nT_x(n=1~3)，T代表化學官能團（如-OH、-O和-F），常見的碳化鈦材料有Ti₃C₂、Ti₂C、TiC等。

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層狀結構的碳化鈦

自2011年美國德雷塞爾大學Gogotsi教授課題組報道了第一個Ti₃C₂材料后，碳化鈦材料因優異的導電性、原子層厚度、親水性、高電負性等優點，在鋰/鈉離子電池、電容器、催化和傳感等領域得到了廣泛應用。目前，關于碳化鈦的研究主要集中在超薄納米片的制備與應用。

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納米碳化鈦材料

但是經研究發現，碳化鈦納米片存在一個弊端，即在使用過程中易發生堆疊，不利于離子/電子傳輸。

相比之下，碳化鈦衍生的一維納米材料可以有效克服上述缺點，并展現出大的長徑比、高比表面積、更多的活性位點等優點，進而有效避免了活性材料的緊密堆積，提高了離子/電子定向傳導能力，縮短了響應時間并延長了循環壽命。

因此，基于碳化鈦起始物衍生成一維納米材料，已成為主要研究方向，主要包括碳化鈦（Ti₃C₂）納米帶、鈦酸鹽納米帶和二氧化鈦（TiO₂）納米線。

碳化鈦衍生一維納米材料

在目前的研究中，以二維Ti₃C₂為起始物轉化為一維納米結構的衍生轉化過程主要涉及兩類機理。

第一類機理: 二維碳化鈦在振蕩或水解作用下，首先在納米片的邊緣產生缺陷位點，然后在剪切力作用下，Ti-C鍵發生斷裂，進而生成一維納米結構；

第二類機理: 碳化鈦表面的Ti原子首先被氧化生成TiO₂納米顆粒，然后堿化生成鈦酸鹽納米線或外延生長制備出TiO₂納米線。

1. 碳化鈦（Ti₃C₂）納米帶

二維層狀碳化鈦（Ti₃C₂）具有良好的導電性、高的結構穩定性、豐富的表面化學性質等優點，在能量存儲、電催化、光催化、光電探測、傳感、再生醫學等領域具有廣闊的應用前景。一維Ti₃C₂納米結構可展現出優于二維超薄納米片的諸多性能優勢，當一維Ti3C2納米帶發生團聚時，可以生成三維多孔網絡框架，提供較大的離子傳輸通道，促進電子/離子傳輸。

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單層Ti₃C₂納米材料

2. 鈦酸鹽納米帶

堿金屬鈦酸鹽因具有良好的生物相容性、熱穩定性、高機械強度等優點, 可以被用作電子材料、光學材料、生物醫學材料等，其中，一維堿金屬鈦酸鹽納米材料具有獨特的電子傳輸行為、光學特性、電化學性能、力學機械性能等優點, 在催化、儲氫、化學傳感器、離子交換、分子吸附等領域展現出增強的性能。

采用手風琴狀Ti₃C₂塊體作為原料，向一維超薄鈦酸鈉(NaTi_1.5O_8.3，M-NTO)和鈦酸鉀(K₂Ti₄O₉，M-KTO)納米帶的衍生轉化制備。

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用Ti₃C₂制備鈦酸鹽納米帶

3. 二氧化鈦（TiO2）納米線

TiO₂是一類多功能的n型半導體材料, 具有優異的親水性、良好的化學穩定性、廉價、無毒、環境友好等優點，被廣泛應用于光催化、光電轉化、傳感器、

儲能等領域。一維TiO₂納米線結合了一維材料和TiO₂的諸多優點，展現出優異的性能。

室溫溶液相氧化法是制備Ti₃C₂衍生的一維TiO₂納米線的主要方法，碳化鈦表面的Ti原子首先被氧化生成TiO₂納米顆粒，然后外延生長制備出TiO₂納米線。

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TiO₂納米線

碳化鈦衍生一維納米材料的應用

1. 能源存儲

（1）鈉離子電池

由于鈉儲量豐富、成本低、分布廣，且具有與鋰相似的物理化學性質，成為可替代鋰離子電池的理想能源之一。而鈉離子半徑較大，需要較寬的傳輸通道，因此，對電極材料要求擁有足夠寬的容納Na⁺的空間。

鈦酸鹽具有容納Na⁺離子的界面層空間、較低的工作電壓、特殊的化學持久性和環境友好性，已被廣泛地用作鈉離子電池的活性材料，而一維納米材料具有定向的電子/離子傳導路徑和較強的應變承受能力，目前已有高效電池活性材料的應用，因此一維鈦酸鹽納米材料有望成為鈉離子電池的理想電極材料之一。

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鈉離子電池已開始商用

（2）鉀離子電池

相對于鋰離子電池和鈉離子電池, 鉀離子電池具有資源豐富廉價、輸出電壓高、能量密度高、充放電效率高等優勢。但鉀離子的半徑較大，導致鉀離子充放電過程中電極的體積形變較大、動力學較緩慢，進而降低了其倍率特性和循環穩定性。因此，鉀離子電池要求電極材料具有穩定的框架結構、較大的鉀離子傳輸間隙，能夠有效地緩解嵌入/脫出過程帶來的體積膨脹效應。

采用Ti₃C₂納米帶作為鉀離子電池的活性材料，主要有以下優點：①Ti₃C₂納米帶擴大的界面層空間易于K⁺存儲和快速擴散；②Ti₃C₂納米帶交聯的三維多孔框架可以降低離子擴散長度；③Ti₃C₂納米帶所具備的大的比表面積、高的電子導電性和端基-O官能團都促進了性能的提升。

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鉀離子電池

（3）鋰硫電池

鋰硫電池以硫元素作為電池正極、金屬鋰作為負極，具有較高的能量密度，同時具有廉價、豐富和環境友好的優勢。但在鋰硫電池充放電過程中，發生的諸多副反應降低了電池比容量和速率活性，并提高了放電延遲時間。

將硫嵌入多孔或者中空的納米結構中是減弱穿梭效應的一種有效方法，通過將硫嵌入Ti3C2納米帶交聯的三維網絡框架，構建的鋰硫電池具有高能量密度和長循環壽命。

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已在一些領域應用的鋰硫電池

2. 電催化

電催化在新型可持續能源利用和開發方面有著廣泛的應用前景，其中, 電催化析氫（HER）是一類重要的電催化反應，核心是水分解反應的半反應，通過開發高效的電催化劑可以有效降低HER反應的電位，從而減少能量損耗。

目前, 鉑(Pt)、銥(Ir)、鈀(Pd)等貴金屬被認為是高效的HER催化劑，但是資源稀缺性與高成本極大地限制了其在HER領域的應用。近年來，由于Ti₃C₂的低成本、高電導率和高催化活性等優點，使其在HER領域得到了廣泛應用，一維Ti₃C₂納米纖維可縮短電子的傳輸路徑，促進電荷傳輸，進而提升HER活性。