我們熟知的碳化鈦（TiC）是典型的過(guò)渡金屬碳化物，擁有高熔點(diǎn)、高硬度、高楊氏模量、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨和耐腐蝕、良好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)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。

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(guān)注，這是一種類石墨烯結(jié)構(gòu)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。這種結(jié)構(gòu)由幾個(gè)原子層厚度的過(guò)渡金屬碳化鈦構(gòu)成，化學(xué)式是Ti_n+1C_nT_x(n=1~3)，T代表化學(xué)官能團(tuán)（如-OH、-O和-F），常見的碳化鈦材料有Ti₃C₂、Ti₂C、TiC等。

層狀結(jié)構(gòu)的碳化鈦

自2011年美國(guó)德雷塞爾大學(xué)Gogotsi教授課題組報(bào)道了第一個(gè)Ti₃C₂材料后，碳化鈦材料因優(yōu)異的導(dǎo)電性、原子層厚度、親水性、高電負(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，在鋰/鈉離子電池、電容器、催化和傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，關(guān)于碳化鈦的研究主要集中在超薄納米片的制備與應(yīng)用。

納米碳化鈦材料

但是經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，碳化鈦納米片存在一個(gè)弊端，即在使用過(guò)程中易發(fā)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(diǎn)，并展現(xiàn)出大的長(zhǎng)徑比、高比表面積、更多的活性位點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)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(dǎo)能力，縮短了響應(yīng)時(shí)間并延長(zhǎng)了循環(huán)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(zhuǎn)化為一維納米結(jié)構(gòu)的衍生轉(zhuǎn)化過(guò)程主要涉及兩類機(jī)理。

第一類機(jī)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(chǎn)生缺陷位點(diǎn)，然后在剪切力作用下，Ti-C鍵發(fā)生斷裂，進(jìn)而生成一維納米結(jié)構(gòu)；

第二類機(jī)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(zhǎng)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(dǎo)電性、高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、豐富的表面化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在能量存儲(chǔ)、電催化、光催化、光電探測(cè)、傳感、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。一維Ti₃C₂納米結(jié)構(gòu)可展現(xiàn)出優(yōu)于二維超薄納米片的諸多性能優(yōu)勢(shì)，當(dāng)一維Ti3C2納米帶發(fā)生團(tuán)聚時(shí)，可以生成三維多孔網(wǎng)絡(luò)框架，提供較大的離子傳輸通道，促進(jìn)電子/離子傳輸。

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(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn), 可以被用作電子材料、光學(xué)材料、生物醫(yī)學(xué)材料等，其中，一維堿金屬鈦酸鹽納米材料具有獨(dú)特的電子傳輸行為、光學(xué)特性、電化學(xué)性能、力學(xué)機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn), 在催化、儲(chǔ)氫、化學(xué)傳感器、離子交換、分子吸附等領(lǐng)域展現(xiàn)出增強(qiáng)的性能。

采用手風(fēng)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(zhuǎn)化制備。

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(dǎo)體材料, 具有優(yōu)異的親水性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、廉價(jià)、無(wú)毒、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光催化、光電轉(zhuǎn)化、傳感器、

儲(chǔ)能等領(lǐng)域。一維TiO₂納米線結(jié)合了一維材料和TiO₂的諸多優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出優(yōu)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(zhǎng)制備出TiO₂納米線。

TiO₂納米線

碳化鈦衍生一維納米材料的應(yīng)用

1. 能源存儲(chǔ)

（1）鈉離子電池

由于鈉儲(chǔ)量豐富、成本低、分布廣，且具有與鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)，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(duì)電極材料要求擁有足夠?qū)挼娜菁{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(xué)持久性和環(huán)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(dǎo)路徑和較強(qiáng)的應(yīng)變承受能力，目前已有高效電池活性材料的應(yīng)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。

鈉離子電池已開始商用

（2）鉀離子電池

相對(duì)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(jià)、輸出電壓高、能量密度高、充放電效率高等優(yōu)勢(shì)。但鉀離子的半徑較大，導(dǎo)致鉀離子充放電過(guò)程中電極的體積形變較大、動(dòng)力學(xué)較緩慢，進(jìn)而降低了其倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，鉀離子電池要求電極材料具有穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)、較大的鉀離子傳輸間隙，能夠有效地緩解嵌入/脫出過(guò)程帶來(lái)的體積膨脹效應(yīng)。

采用Ti₃C₂納米帶作為鉀離子電池的活性材料，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①Ti₃C₂納米帶擴(kuò)大的界面層空間易于K⁺存儲(chǔ)和快速擴(kuò)散；②Ti₃C₂納米帶交聯(lián)的三維多孔框架可以降低離子擴(kuò)散長(zhǎng)度；③Ti₃C₂納米帶所具備的大的比表面積、高的電子導(dǎo)電性和端基-O官能團(tuán)都促進(jìn)了性能的提升。

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(fù)極，具有較高的能量密度，同時(shí)具有廉價(jià)、豐富和環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)。但在鋰硫電池充放電過(guò)程中，發(fā)生的諸多副反應(yīng)降低了電池比容量和速率活性，并提高了放電延遲時(shí)間。

將硫嵌入多孔或者中空的納米結(jié)構(gòu)中是減弱穿梭效應(yīng)的一種有效方法，通過(guò)將硫嵌入Ti3C2納米帶交聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)框架，構(gòu)建的鋰硫電池具有高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命。

已在一些領(lǐng)域應(yīng)用的鋰硫電池

2. 電催化

電催化在新型可持續(xù)能源利用和開發(fā)方面有著廣泛的應(yīng)用前景，其中, 電催化析氫（HER）是一類重要的電催化反應(yīng)，核心是水分解反應(yīng)的半反應(yīng)，通過(guò)開發(fā)高效的電催化劑可以有效降低HER反應(yīng)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(rèn)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(lǐng)域的應(yīng)用。 近年來(lái)，由于Ti₃C₂的低成本、高電導(dǎo)率和高催化活性等優(yōu)點(diǎn)，使其在HER領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，一維Ti₃C₂納米纖維可縮短電子的傳輸路徑，促進(jìn)電荷傳輸，進(jìn)而提升HER活性。

除此之外, 一維Ti₃C₂納米纖維在氧氣還原反應(yīng)、二氧化碳還原、人工固氮、甲醇電催化氧化等電催化領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

電催化析氫

3. 傳感

近年來(lái)，濕度傳感器已在呼吸速率檢測(cè)、非接觸式開關(guān)、皮膚濕度檢測(cè)、嬰

兒尿布潤(rùn)濕監(jiān)測(cè)等方面獲得實(shí)際應(yīng)用。目前，石墨烯、硫化物、金屬氧化物及其復(fù)合物等材料已被用作濕度傳感器的活性材料。

2019年，通過(guò)二維Ti₃C₂超薄納米片原位衍生的TiO₂納米線制備的Ti₃C₂/TiO₂復(fù)合材料首次被應(yīng)用于濕度傳感器，交錯(cuò)的樹枝狀Ti₃C₂/TiO₂納米線結(jié)構(gòu)具有良好的吸附性能，有利于形成連續(xù)的水層，是增強(qiáng)傳感膜導(dǎo)電性能的直接傳導(dǎo)途徑（特別是在低相對(duì)濕度環(huán)境下）。

此外，該類材料還有望在溫度傳感器、生物傳感器、氣體傳感器和壓力傳感器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要應(yīng)用。

濕度傳感器

總結(jié)

基于Ti₃C₂衍生的一維納米材料目前主要集中在能源存儲(chǔ)、電催化和傳感三個(gè)領(lǐng)域，因此，這些材料的應(yīng)用仍存在一定的局限性。在未來(lái)的研究中可將基于

Ti₃C₂衍生的一維納米材料的應(yīng)用拓展至其他領(lǐng)域，也可將這種一維轉(zhuǎn)化擴(kuò)展至Sc₂C、Hf₂C、W₂C、Ti₂C等碳化物材料的衍生，其制備和應(yīng)用具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低、制備效率高、產(chǎn)物性能多樣等優(yōu)點(diǎn)，隨著對(duì)方向的深入研究，有望實(shí)現(xiàn)任意組分的一維納米材料的制備，并推動(dòng)和深化其在多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

參考來(lái)源：

基于碳化鈦衍生的一維納米材料的制備與應(yīng)用，趙為為、金貝貝、江夢(mèng)月、劉淑娟、趙強(qiáng)（1. 有機(jī)電子與信息顯示國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江蘇省生物傳感材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京郵電大學(xué)信息材料與納米技術(shù)研究院；2. 南京大學(xué)配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）。

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