新型TiO2(B)介晶的可控制备及其储锂性能研究

TiO2(B) is one of the most promising anode materials for lithium ion batteries, and tremendous research efforts have been paid to the adjustment of the micro- and nanostructures of TiO2(B) materials for further enhancing their lithium insertion behavior. However, owing to the metastability of the TiO2(B) phase, it still remains a great challenge to realize the fabrication of mesocrystalline TiO2(B) architectures. On the basis of preliminary exploration work, our project will focus on the controlled synthesis of TiO2(B) mesocrystals with novel morphologies and architectures via a simple solvothermal route by using fatty acid with certain carbon chain length as the sole solvent and tetrabutyl titanate as the titanium source. The kinetic process of mesocrystallization and the influence of various reaction factors on the morphology and structure of TiO2(B) mesocrystals will be investigated to reveal the undergoing formation mechanism and controlling rules of TiO2(B) mesocrystals. In addition, the influence of different structure parameters such as morphology, specific surface area, internal pore structure, and the size, shape and crystalline orientation of nanocrystal building blocks on the performance of TiO2(B) mesocrystals as anode materials for lithium ion batteries will be systematically investigated to build relationships between mesocrystal microstructures and their lithium insertion behavior. This project will provide a new method to synthesize TiO2(B) materials and realize the controlled fabrication of TiO2(B) mesocrystals. At the same time, this project will also expand the research area of TiO2 mesocrystals and provide new ideas for the development of high-performance nanocrystal-superstructure-based anode materials for lithium ion batteries.

TiO2(B)是一种具有广阔应用前景的锂离子电池负极材料，关于其微纳结构的调控及储锂性能优化受到持续关注。但由于晶体结构的介稳性，TiO2(B)介晶的可控制备至今仍是一大挑战。项目拟在前期探索工作的基础上，采用具有一定链长的脂肪酸作为单一溶剂，以钛酸四丁酯为反应前体，通过简单的非水溶剂热反应可控构筑一系列形貌和结构较为新颖的TiO2(B)介晶；研究材料“介晶化”的动力学过程和形貌结构的影响因素以揭示TiO2(B)介晶的生长机理与调控机制；系统考察TiO2(B)介晶的形貌、比表面、内部孔结构、基元尺寸形状以及晶格取向等因素对其作为锂离子电池负极材料性能的影响，建立其形貌结构与储锂性能之间的对应关系，获得结构和性能优化策略。项目可提供TiO2(B)材料的合成新方法，实现TiO2(B)介晶的可控制备，拓展TiO2介晶的研究领域，并为开发高性能纳米晶超结构锂离子电池负极材料提供新的思路。

TiO2介晶以其独特的高晶化度、高孔隙度和由纳米晶基元有序排列而成的结构特点而在能源储存和环境净化领域表现出良好的应用潜力，设计合成具有特定形貌构造和优异储锂或光催化降解污染物性能的新型TiO2介晶材料有望成为解决当前能源和环境问题的一个有效方案。项目围绕TiO2介晶的调控合成及储锂或光催化构效关系这一主线展开研究工作，制备得到了一系列结构新颖且性能良好的TiO2介晶材料，并初步揭示了TiO2介晶材料的形貌构造对其性能的影响规律。主要取得了如下研究进展：（1）调控合成了具有增强储锂性能的TiO2(B)介晶微纳材料。利用简单的非水溶剂热反应合成了TiO2(B)介晶微米球并将其诱导生长在还原石墨烯的表面上，合成得到了TiO2(B)介晶/还原石墨烯复合材料，它表现出优异的高倍率充放电性能。（2）可控制备了多种可用于光催化降解环境污染物的锐钛矿型TiO2介晶材料。以聚乙二醇-400为溶剂，利用简单的溶剂热反应辅以真空煅烧处理，制备得到了纺锥状的Ti3+自掺杂锐钛矿型TiO2介晶，它可表现出优异的可见光催化去除空气污染物一氧化氮气体的性能；以醋酸为溶剂调控合成了全{101}面暴露的哑铃状富氧空位锐钛矿型TiO2介晶，它具有明显改善的光催化降解甲基橙和还原六价铬性能；以甲酸乙酯为溶剂合成了纺锥状的碳酸盐掺杂锐钛矿型TiO2介晶，它可表现出大幅提升的光催化降解磺胺噻唑和还原六价铬性能。（3）设计合成了可用于光催化降解环境污染物的锐钛矿型TiO2介晶基异质结材料。通过在g-C3N4纳米片的表面上生长纺锥状的锐钛矿型TiO2介晶构建了具有优异可见光催化降解甲基橙和还原六价铬性能的纺锥状Ti3+自掺杂锐钛矿型TiO2介晶/g-C3N4纳米片异质结；而通过将SrTiO3纳米晶原位生长在预先合成的球状锐钛矿型TiO2介晶上，制备得到了光催化性能显著增强的锐钛矿型TiO2介晶/SrTiO3纳米晶异质结。