一维开放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1DTiO2纳米管在超快充电钠离子电池中应用的优势，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16C下循环4000次后仍具有107mAhg-1的容量，在32C时容量为94mAhg-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优秀期刊AdvancedMaterials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80nm，厚为13nm，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25nm，厚度为7.8nm（图2a-c）。进一步表征发现：TiO2SNT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TiO2SNT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）。

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TiO2SNT的制备的示意图。

图2.a）SEM图像，b）TEM图像和相应的SAED图案，c，d）TiO2SNT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。

图3.Na半电池的TiO2SNT的电化学性质：a）CV曲线。b）Am-TiO2SNT，TiO2SNT和Pa-TiO2SNT的速率性能。c）16C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。1C=335mAhg-1。