Ti₄O₇功能陶瓷材料研究与应用现状

来源期刊：材料导报2019年第1期

论文作者：王译文 王海斗 马国政 陈书赢 何鹏飞 丁述宇

文章页码：143 - 151

关键词：Ti4O7功能材料;导电陶瓷;微观结构;电极;电催化载体;热电材料;锂硫电池;燃料电池;

摘    要：TinO2n-1是一类应用前景广阔、极具研究价值的高性能导电陶瓷材料。它具有独特的物理、化学和电化学性能,晶体结构中的氧缺陷除了使其拥有自身的陶瓷特性外,还赋予其类金属的导电性能,打破了其因导电性能差而限制陶瓷材料的进一步推广应用。Ti₄O₇是TinO2n-1中导电性能最佳的材料,同时它还拥有诸多优异的性质如敏锐的光响应能力、较强的耐酸腐蚀性和较好的电化学稳定性,这些独特的性质引起了材料研究者对其的高度关注,并将其广泛应用于电化学、热电材料、储能材料、光催化降解等领域。目前,研究人员基于Ti₄O₇的电子导电性和化学稳定性,主要将其用作电池电极和电催化载体材料,生产工艺已逐渐成熟并实现商业化。然而,Ti₄O₇的生产制备工艺还存在许多不足。粒径大小、孔隙率和结晶程度等因素均会对Ti₄O₇的性能产生影响。工业上主要采用高温还原钛源前驱体的方法,经过高温处理后的Ti₄O₇通常存在颗粒团聚、烧结严重、比表面积大的问题,这严重影响了Ti₄O₇的性能。为解决高温处理引发的固有问题,研究人员在制备工艺的设计优化方面不断进行尝试,在优化高温合成方法的同时,也探索了一些中低温合成制备途径,但依旧存在产物纯度不高、生产能耗大等问题,工艺细节还需深入研究。目前制备工艺的主要研究方向为:（1）提高制备产物的纯度;（2）细化晶粒,控制粉体粒径大小;（3）制备出形貌可控的粉体。针对Ti₄O₇制备过程中出现的问题,研究人员不断引入新技术。在溶胶凝胶法的基础上利用静电纺丝技术制备出高比表面积的核壳结构中空管道材料,烧结温度降低了近20%;首次采用微波辐射的加热方式,微波下辐射30 min即可制备出形貌可控的Ti₄O₇。近两年,随着研究的不断深入,Ti₄O₇的各项优异性能得到了进一步开发和应用,在锂离子电池、锂硫电池、金属-空气电池、燃料电池中表现出更卓越的快速充放电性能和循环稳定性,并在储能材料、热电材料和光电材料等新能源领域得到了应用。本文介绍了Ti₄O₇的组成结构和理化性质,归纳了Ti₄O₇陶瓷的主要制备工艺及典型应用,分析总结了各类制备工艺的优缺点和应用需求,并对本领域今后的热点研究方向和发展趋势进行了展望,为Ti₄O₇功能陶瓷材料的推广应用提供了参考。