TiO2是无毒、生物相容性好且廉价的宽带隙半导体材料,具有折射率高、导电性好、超强的紫外吸收、优异的（光）催化活性等特征。由于其特殊的电子能带结构和光化学稳定性,TiO2在染料敏化太阳能电池和光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物转化为二氧化碳和小分子碳氢燃料等方面有着广泛的应用。Marchand在1980年首次报道了单斜相TiO2（即TiO2-B）。随着对TiO2-B纳米材料性质研究的深入,其应用领域不断扩展到光电、光催化、光电化学以及气敏材料等。TiO2-B与TiO2其他三个晶相（锐钛矿、金红石和板钛矿）相比,其晶体结构中存在着沿[010]方向平行的特殊孔道,非常有利于锂离子在其中自由结合和迁移。TiO2-B的理论比容量为335 m Ah/g,高于TiO2其他三个晶相,是已用于商业锂离子电池的尖晶石型钛酸锂理论比容量（175 m Ah/g）的两倍。TiO2作为电池材料,由于其优越的安全性和较大的比容量而被广泛研究。锂离子在TiO2-B中的脱嵌是赝电容过程,这对于材料的倍率性能有很大的提升,也是影响锂离子电池负极材料性能的重要因素之一。纳米TiO2-B及其异质材料有望成为解决能源短缺和环境污染的绿色材料。在TiO2-B纳米材料合成研究中,通过在纳米材料中引入氧空位、或与其他不同功能的半导体形成纳米异质结构能够有效提高材料的性能,不仅其中原有单一组分所固有的物理和化学性能可以得到提高,纳米异质材料还可能会被赋予新的性能。由于异质材料独特的结构特性,整合了多组分的性质,可以实现协同（“1+1>2”）作用。本论文围绕TiO2-B及其异质结构的制备与性质开展研究,取得如下成果:1.利用溶剂热法首次制备了单分散、尺寸均一、平均粒径5纳米的TiO2-B纳米粒子。单分散纳米粒子进一步取向连接生长,可以获得具有高比表面积的超薄TiO2-B纳米片。TiO2-B纳米片的赝电容机理和电极与电解液充分接触的协同作用,有效的促进了锂离子和电子在超薄的TiO2-B纳米片中的迁移和传输,在锂电池方面表现出良好的电化学性能。超薄TiO2-B纳米片在0.5C的倍率下循环50次后仍有220 m Ah/g的比容量,在10C下循环5次,比容量为90.8 m Ah/g。2.利用紫外光辐照还原法制备了黑色TiO2-B纳米粒子。将单分散的TiO2-B纳米粒子分散于甲醇中,在紫外光辐照下,利用紫外光诱导的方法得到Ti3+掺杂的TiO2-B(Ti3+),经氩气中340°C煅烧,获得了在空气中稳定的黑色TiO2-B纳米粒子,改变在氩气中的煅烧温度,在360°C下获得黑色锐钛矿相TiO2。HRTEM结果表明,黑色TiO2-B和黑色锐钛矿相TiO2纳米粒子都具有TiO2@TiO2-X核壳结构,核是结晶的TiO2,壳层是无序的TiO2-X。TiO2-B吸收400纳米以下的紫外光,而黑色TiO2-B和黑色锐钛矿相TiO2纳米粒子还吸收整个可见光谱。EPR谱的特征信号表明在黑色样品中存在氧空位。黑色TiO2-B和黑色锐钛矿相TiO2纳米粒子对有机染料MO有较好的可见光催化活性,且在室温具有超顺磁性。3.阐述了紫外光辐照下黑色TiO2-B的形成机理。TiO2-B纳米粒子在紫外光诱导下产生电子-空穴对,光生电子被Ti4+捕获形成Ti3+,由于TiO2纳米粒子表面带负电荷,空穴倾向于迁移至纳米粒子的表面。电荷分离导致纳米粒子内部出现短暂的电荷不平衡,部分带负电的O2-迁移到纳米粒子表面,同时在Ti3+附近形成氧空位。在氩气中煅烧的过程中,样品表面的吸附氧（主要以Ti-OH形式存在的）以脱水的形式去除,表面氧的减少可以稳定TiO2-B中产生的氧空位,从而得到在空气中稳定的黑色TiO2-B。4.制备多孔球状TiO2-B/SnO2纳米复合物用于锂电池负极材料。首先利用水热法制备了由纳米线组成的多孔球状TiO2-B,再将多孔球TiO2-B与SnO2复合,SnO2纳米粒子均匀地附着在TiO2-B表面,形成TiO2-B/SnO2核壳结构纳米材料。SnO2与TiO2-B的协同作用,使TiO2-B/SnO2核壳结构纳米材料作为锂电池负极材料呈现出较高的储锂性能和优越的倍率性能。SnO2的负载量直接影响复合后的TiO2-B/SnO2纳米多孔球复合材料的电化学性能。
