水热搅拌的艺术:超长TiO2纳米管的制备及其超快锂电池的应用

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TiO2纳米材料,作为一种目前最为广泛研究的无机氧化物,在太阳能电池、光催化环境污染治理、光催化产氢,锂离子电池等方面具有广阔的应用前景。针对这一材料体系的研究已经成为国际上新能源材料研究领域中的热点,设计出独特的二氧化钛微观结构及其提高其能量转换效率是其中重要的科学问题。
水热反应法是制备高比表面积的二氧化钛(钛酸盐)纳米管(粉体)的传统方法,由Kasuga T于1998年在强碱条件下首次实现,得到的纳米管的长度大概为200-500 nm,比表面积达到300 m2/g。由于该制备方法简单,产量大,重复性好,材料比表面积大,这个方法引起了研究者的广泛关注。为了提高该材料在能源领域和水处理方面的应用效率,研究的热点主要在于控制TiO2纳米管的尺寸或设计出新型的混合纳米结构。尽管有很多的研究对纳米管的制备方法进行了改进,但是目前纳米管的长度仍限于1微米以下,这严重制约了该材料在很多领域的应用。
最近,新加坡南洋理工大学Prof . Chen Xiaodong课题组在TiO2纳米管的制备方法上取得进展,他们首次采用了搅拌水热法(传统水热反应法 + 磁力搅拌)制备了超长可弯曲的二氧化钛纳米管,长度可达到几十微米以上。该研究成果发表在最新的Advanced Materials上。他们的详细研究证实,机械力驱动的搅拌过程同时提高了溶液离子的扩散和表面化学反应速度,从而提高了纳米管在溶液中的形成速率,使得纳米管能够在短时间内生长的很长。同时,研究还发现,纳米管头部所受到的剪切应力于其他部分,从而使得纳米管在生长的过程中弯曲。基于这个超长可弯曲的纳米管结构的优点,他们通过简单的热处理,得到了超长的TiO2(B)纳米管的三维网状正极结构,用于超快充放电的锂离子电池,显示出了优异的电池性能。该TiO2(B)纳米管电池在超快充放电的情况下,循环寿命可达10000次以上,而且能保存较高的电化学性能,具有工业化应用前景。