TiO2 表面包覆SbxSn1-XO2微观结构的调控及关联导电性研究

TiO2/SbxSn1-xO2 core-shell composite conductive powder composed of TiO2 coated by tin oxide solid solution with antimony dopant can overcome the defects of deep color and poor corrosion resistance of traditional conductive. However, the washing difficulty, agglomeration, inhomogeneous coating layer and uncontrollable shell thickness always puzzles the process of traditional chemical precipitation method. The coating mechanism, conductive mechanism and the effect of antimony sources and doping amount on the valance of antimony still need further investigation. In this project, the TiO2/SbxSn1-xO2 composite with uniformity of conductive layer and shell thickness was prepared by the in-situ hydrothermal method. In addition, the core/shell interaction and the electron transfer process between conductive layer particles were investigated. The effects of molecular aggregation behavior in the interfaces as well as the molecular interactions, configuration and orientation on the electrons transfer behavior were researched by molecular dynamics simulating. We will accurately understand the mechanism of the electrons transfer behavior. The distribution of antimony and the change of antimony valence state were investigated by the addition of different valence state of antimony source and the change of doping content. The achievement of this project will provide basic data and theoretical basis for the technology development in the preparation of uniform, controllable, with good conductive performance and shallow color composites.

以TiO2为核，表面包覆锑掺杂二氧化锡固溶体制备的TiO2/SbxSn1-xO2核-壳型复合导电材料，克服了传统导电材料颜色较深、抗腐蚀性能较差等缺点。工业常用的化学沉淀法常伴随着前驱体洗涤困难、易形成硬团聚、包膜不均匀和厚度不可控等问题，且对于TiO2/SbxSn1-xO2包覆机制、导电机理和Sb源价态与掺杂量对导电层Sb的价态影响等问题研究不深入。针对上述问题，本项目拟采用原位水热法调控导电层的均匀性及厚度，研究核-壳间相互作用及导电层颗粒间电子传输过程；采用分子动力学模拟SbxSn1-xO2在TiO2表面吸附过程，辅助分析导电机理，探讨界面区域分子聚集形态、分子间相互作用对电子传递性质的影响，揭示影响电子传递的主导因素及规律；使用不同价态Sb源与改变掺杂量等考察Sb的分布状态及价态变化规律。项目研究为构建成膜均一可控、导电性好、颜色较浅的复合导电材料的工业开发提供基础数据和理论指导。

随着现代科学技术的飞速发展，材料成为高新经济发展的重要支柱之一，对各类材料尤其是新型材料的研发和应用需求越来越高。而单一物质的性质有限，两种或两种以上的物质在一定尺度上复合或者相互作用往往具有更高的应用价值。在复合材料众多形式中，核壳型结构作为最常见形式之一备受研究者关注。经包覆后的复合材料，其磁学、力学、光学、电学、热学或催化等方面的性质会发生变化，甚至产生不同于两种单组分材料的独特性质。作为一种常见的核壳材料，在导电二氧化钛壳层材料的选择中，锑掺杂氧化锡（ATO，SbxSn1-xO2）具有最优的性价比，它具有非常优良的导电特性及热稳定性能，已成为近些年的研究热点。目前关于导电二氧化钛的研究主要集中在对其导电性能的改进，及在防静电领域的应用。. “TiO2表面包覆SbxSn1-xO2微观结构的调控及关联导电性研究”基于上述背景，通过不同的制备方法调控TiO2表面包覆层的均匀性、厚度以及导电性能，制备了包覆均匀的TiO2@SbxSn1-xO2复合材料，其电阻率最高为15.42Ω•cm，最低达到1.69Ω•cm。通过各种表征分析手段研究了包覆层的相态、结构以及组成，确立了Sb的价态变化与最初掺杂量及初始价态之间的关系，从微观尺度获得了核-壳之间的导电关联性。通过掺杂、修饰等方法对TiO2核层及包覆壳层进行改性，以提高导电复合材料的电子传输性能和应用性能。利用分子模拟手段，设计复合材料的晶体结构，并采用第一性原理分析了导电层颗粒间电子传输过程。在TiO2@SbxSn1-xO2体系中，Sb 5s电子态能够占据原来最低未被填充电子的能带部分，并在导带底产生浅施主能级，使价带电子更容易激发到导带，材料的导电性增强。此外，拓展了TiO2基导电复合材料的种类，并进一步研究了新型复合材料的导电机制和性能。. 项目研究内容为功能性二氧化钛复合材料的应用提供可靠的理论支撑，并有助于开发二氧化钛复合材料的新用途，延长钛白粉产业链，为区域经济建设服务。