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我们熟知的碳化钛（TiC）是典型的(de)过渡金属碳化(hua)物，拥有(you)高(gao)(gao)熔(rong)点、高(gao)(gao)硬度、高(gao)(gao)杨氏模量(liang)、高(gao)(gao)化(hua)学稳定性(xing)、耐(nai)磨和(he)(he)(he)耐(nai)腐蚀、良好的(de)电(dian)导和(he)(he)(he)热导等(deng)特性(xing)，因此其在切削(xue)刀具、宇航(hang)部(bu)件、耐(nai)磨涂层(ceng)、泡(pao)沫陶(tao)瓷和(he)(he)(he)红(hong)外辐射(she)陶(tao)瓷材料等(deng)方面(mian)有(you)着广泛的(de)用途和(he)(he)(he)巨大(da)的(de)潜力。

 

TiC金属陶瓷粒

但(dan)近(jin)些年随着研究(jiu)的开展，二维碳化钛(tai)纳米材料(liao)逐(zhu)渐引起关注(zhu)，这是一种类石墨(mo)烯结构，具有很高的应用价值。这种结构由几个原子层(ceng)厚度的过渡金属碳化钛(tai)构成，化(hua)学式是Ti_n+1C_nT_x(n=1~3)，T代表(biao)化学官能团（如-OH、-O和-F），常(chang)见的碳化钛材料有Ti₃C₂、Ti₂C、TiC等。

 

层状结构的(de)碳化钛

自2011年美(mei)国(guo)德雷(lei)塞尔大学Gogotsi教授(shou)课题组报道了第一个Ti₃C₂材(cai)料后，碳化(hua)钛材(cai)料因优异的(de)导电性(xing)、原子(zi)层厚度、亲水性(xing)、高电负性(xing)等优点，在锂/钠离子电池、电容器、催化和(he)传感等领(ling)域(yu)得到了广(guang)泛应用。目(mu)前，关于(yu)碳化钛的研究主(zhu)要集中在超(chao)薄纳(na)米片的制备与(yu)应用。

 

纳米碳化钛材料

但是经研究发现，碳(tan)化钛纳(na)米片(pian)存在一(yi)个弊端，即在使用过程中(zhong)易发生(sheng)堆叠，不利于离子/电子传输。

相比之下，碳化(hua)钛衍生的一维纳米(mi)材料可(ke)以有效克服(fu)上(shang)述缺点(dian)，并展现(xian)出大的长径比(bi)(bi)、高比(bi)(bi)表面积、更多的活性位点等(deng)优点，进而有效(xiao)避免了活性材料(liao)的(de)紧密堆积，提高(gao)了(le)离子/电(dian)子定向传导(dao)能力，缩短了响应时(shi)间并(bing)延长(zhang)了循环(huan)寿命(ming)。

因此(ci)，基于碳(tan)化钛起(qi)始物衍生成一维纳米(mi)材料，已成为主要(yao)研(yan)究方向，主要(yao)包括(kuo)碳(tan)化钛（Ti₃C₂）纳米(mi)带、钛(tai)酸盐纳米(mi)带和二氧化钛(tai)（TiO₂）纳米线(xian)。

碳(tan)化钛衍(yan)生一维纳米材料

在(zai)目前的研究中(zhong)，以(yi)二维Ti₃C₂为起始物转化(hua)为一维纳米结构的衍生转化(hua)过程主要涉及两类(lei)机理。

第一(yi)类机理: 二维碳(tan)化钛在(zai)(zai)振(zhen)荡(dang)或水(shui)解作用下(xia)，首先在(zai)(zai)纳米(mi)片的边(bian)缘产(chan)生缺(que)陷位点，然后在(zai)(zai)剪切力作用下(xia)，Ti-C键(jian)发生断裂，进而生成一(yi)维纳(na)米结构(gou)；

第二类机理: 碳化(hua)钛表面的Ti原子首先被氧化生成TiO₂纳米(mi)颗粒，然(ran)后碱化生成钛酸(suan)盐纳米(mi)线或外(wai)延生长制备出TiO₂纳米(mi)线。

1. 碳化(hua)钛（Ti₃C₂）纳(na)米带

二维层状碳化钛(tai)（Ti₃C₂）具(ju)有(you)良好(hao)的(de)(de)导电(dian)性、高的(de)(de)结构(gou)稳定性、丰富的(de)(de)表面(mian)化学性质等优点，在能(neng)量存(cun)储、电(dian)催化、光(guang)催化、光(guang)电(dian)探测、传感、再生(sheng)医学等领域具(ju)有(you)广阔的(de)(de)应用前(qian)景。一维Ti₃C₂纳米结构可展现出优于二维超(chao)薄纳米片(pian)的诸多性能优势，当一(yi)维Ti3C2纳米带发生(sheng)团聚(ju)时，可以生(sheng)成三维多孔网络框(kuang)架，提供较大的离子(zi)传(chuan)输(shu)通道(dao)，促进电子(zi)/离子传输。

 

单层Ti₃C₂纳(na)米(mi)材料(liao)

2. 钛酸盐纳(na)米带

碱金属钛酸盐(yan)因具有良(liang)好(hao)的生物相容性(xing)、热稳定性(xing)、高机械强度等优点, 可以被用作电子材料、光学材料、生物医学材料等，其(qi)中(zhong)，一维(wei)碱(jian)金(jin)属钛酸盐纳米材料具有独特(te)的电(dian)子(zi)传输行(xing)为、光(guang)学(xue)特(te)性、电(dian)化学(xue)性能、力(li)学(xue)机(ji)械性能等优点, 在催化、储氢、化学传感(gan)器(qi)、离子交换、分(fen)子吸附等(deng)领域展现出增强的性能。

采用(yong)手(shou)风琴(qin)状Ti₃C₂块体(ti)作为原料，向一维超(chao)薄钛酸钠(NaTi_1.5O_8.3，M-NTO)和(he)钛酸(suan)钾(K₂Ti₄O₉，M-KTO)纳米带的衍(yan)生转(zhuan)化制备。

 

用(yong)Ti₃C₂制(zhi)备钛酸盐(yan)纳(na)米带(dai)

3. 二氧化钛（TiO2）纳米线

TiO₂是一类(lei)多功(gong)能的n型(xing)半导体材料(liao), 具有优异的亲水性(xing)、良(liang)好(hao)的化学(xue)稳(wen)定性(xing)、廉价、无毒、环境友好(hao)等(deng)优点，被广泛(fan)应用于光催化、光电转(zhuan)化、传(chuan)感(gan)器、

储能等领域。一维TiO₂纳米线结合了一(yi)维材料(liao)和TiO₂的诸多优点，展现出(chu)优异的性能(neng)。

室温(wen)溶液相氧化法是制备Ti₃C₂衍生的一维TiO₂纳米(mi)线(xian)的(de)主(zhu)要方法，碳化钛表面的(de)Ti原子(zi)首先被氧化(hua)生成TiO₂纳米颗粒，然后外延生(sheng)长制备出(chu)TiO₂纳米线(xian)。

 

TiO₂纳米线

碳化钛衍(yan)生一维(wei)纳(na)米材料的(de)应用

1. 能(neng)源存储

（1）钠离子电(dian)池(chi)

由于钠储量丰富(fu)、成本低、分布广，且具(ju)有与锂(li)相似(si)的(de)物理化学性质，成为可(ke)替代锂离子电池的理想能源(yuan)之一。而钠离子半(ban)径较大，需要较宽(kuan)的(de)传输通道，因此(ci)，对电极材料要求拥有足(zu)够宽(kuan)的(de)容纳Na⁺的空间(jian)。

钛酸盐具有容纳(na)Na⁺离子(zi)的(de)界面层空间、较低的(de)工作电压、特殊的(de)化学持久性和环境友好性，已(yi)被广泛地用作钠离子电池(chi)的活(huo)性材料，而一维纳米材料具有定向的(de)电子/离子(zi)传导路径和(he)较(jiao)强(qiang)的(de)应变承(cheng)受能力(li)，目前已有(you)高效(xiao)电池活(huo)性材(cai)料的(de)应用，因此一维钛酸盐纳米材(cai)料有(you)望(wang)成为钠离子(zi)电池的(de)理想(xiang)电极(ji)材(cai)料之一。

 

钠离(li)子电池已(yi)开始商用

（2）钾离子电池

相对(dui)于锂(li)离(li)子电池和钠离(li)子电池, 钾离子电池具有资源丰富廉价、输出电压高(gao)、能量密(mi)度高(gao)、充(chong)放电效率高(gao)等优势。但钾离(li)子的(de)半径较大，导致(zhi)钾离子(zi)充放电过(guo)程中电极的体(ti)积(ji)形变较大、动力学较缓慢，进(jin)而降低了其倍率特(te)性(xing)和循环稳(wen)定性(xing)。因此，钾离子电池要求电极材(cai)料具(ju)有稳定的框架(jia)结构、较大的钾离子传输间(jian)隙，能(neng)够有(you)效地缓解嵌入/脱出(chu)过程带来(lai)的体积膨胀效应。

采用Ti₃C₂纳米(mi)带作为钾离子电池的活性材料(liao)，主要有以下优点：①Ti₃C₂纳米带(dai)扩大的界(jie)面(mian)层(ceng)空(kong)间易于(yu)K⁺存储和快速扩散；②Ti₃C₂纳米带交联的三维(wei)多孔框架可以降低离子扩散长度；③Ti₃C₂纳米带所具备的大的比表(biao)面(mian)积、高的电子导电性和端基-O官能团(tuan)都(dou)促进了性(xing)能的提升(sheng)。

 

钾(jia)离子(zi)电池

（3）锂硫(liu)电(dian)池

锂硫电池以(yi)硫元素作(zuo)为电池正极、金属锂作为负极，具(ju)有较高的能(neng)量密度，同时(shi)具有廉价、丰富和(he)环境友好(hao)的优势。但在锂(li)硫电池充(chong)放(fang)电过程中(zhong)，发生的诸多(duo)副(fu)反应降低了电池比容(rong)量和(he)速(su)率活性，并提高了放(fang)电延迟时(shi)间(jian)。

将硫嵌入多孔或者中空的(de)纳米结构(gou)中是减弱穿梭效(xiao)应的(de)一(yi)种有效(xiao)方法(fa)，通过(guo)将硫嵌入Ti3C2纳米带交联(lian)的(de)三维网(wang)络框架(jia)，构建的(de)锂(li)硫电池具有高能量密度和长循环寿命。

 

已在一些领域应用的锂硫电(dian)池

2. 电催化(hua)

电催化在新型可持(chi)续能源利用(yong)和开发(fa)方面(mian)有着广(guang)泛(fan)的应(ying)用(yong)前景(jing)，其(qi)中, 电催化析氢（HER）是(shi)一类重要的(de)电催化(hua)反应，核心是(shi)水分解反应的(de)半反应，通过开(kai)发高效的(de)电催化(hua)剂可以有效降低HER反(fan)应的(de)电位(wei)，从而减少能量(liang)损耗(hao)。

目(mu)前, 铂(Pt)、铱(yi)(Ir)、钯(Pd)等(deng)贵金属被认(ren)为是高(gao)效(xiao)的HER催(cui)化剂，但是资源稀(xi)缺性与高成本极(ji)大地限制(zhi)了其在HER领域的应用。 近(jin)年来，由于Ti₃C₂的低(di)成本、高(gao)电导(dao)率和高(gao)催化活性(xing)等优点(dian)，使其在HER领域得到了广泛应用，一维Ti₃C₂纳米纤维可(ke)缩(suo)短电(dian)子的传(chuan)输路径，促进电(dian)荷传(chuan)输，进而提升HER活性。

除此之外, 一维Ti₃C₂纳(na)米纤维在氧气还原(yuan)反(fan)应、二氧化(hua)(hua)碳还原(yuan)、人(ren)工(gong)固氮、甲醇电(dian)催(cui)化(hua)(hua)氧化(hua)(hua)等电(dian)催(cui)化(hua)(hua)领域(yu)也具有广阔的应用前景。

 

电(dian)催化(hua)析氢

3. 传(chuan)感

近年来(lai)，湿度传感器(qi)已在呼吸(xi)速率检测、非(fei)接触式开关、皮肤湿度检测、婴

儿尿布润湿监测(ce)等方面(mian)获(huo)得实(shi)际应用。目前，石墨(mo)烯、硫(liu)化物(wu)(wu)、金属氧化物(wu)(wu)及其复合物(wu)(wu)等材(cai)料已被用作湿度传感(gan)器的活性材(cai)料。

2019年，通过(guo)二维Ti₃C₂超薄纳米(mi)片(pian)原(yuan)位衍生(sheng)的TiO₂纳米线制备的(de)Ti₃C₂/TiO₂复合材(cai)料首次被应用于(yu)湿度传感器，交错(cuo)的树枝状Ti₃C₂/TiO₂纳(na)米线结构具有良好的吸附性(xing)能(neng)，有利于形成连续(xu)的水层，是增强(qiang)传(chuan)感(gan)膜(mo)导电性(xing)能(neng)的直接传(chuan)导途径（特别(bie)是在低相对湿度环境下）。

此外，该(gai)类材料还(hai)有望在温度(du)传(chuan)感(gan)器(qi)、生物传(chuan)感(gan)器(qi)、气(qi)体传(chuan)感(gan)器(qi)和压力(li)传(chuan)感(gan)器(qi)等领域(yu)实(shi)现(xian)重要应(ying)用。

 

湿度传感器

总结

基于Ti₃C₂衍生的一维纳米材料目前主(zhu)要集中在(zai)能源存(cun)储、电催化和传感三(san)个领域，因此，这(zhei)些材料的应用仍存在一定的局限性。在未(wei)来的(de)研究中可(ke)将基于

Ti₃C₂衍生的一维纳米材料的应(ying)用拓展至其(qi)他领域(yu)，也可将这种一维转化扩(kuo)展(zhan)至Sc₂C、Hf₂C、W₂C、Ti₂C等(deng)(deng)碳化(hua)物(wu)材(cai)料的衍生(sheng)，其制(zhi)备(bei)和应用具有工艺简单、能耗低、制(zhi)备(bei)效率高(gao)、产物(wu)性能多样等(deng)(deng)优点，随着(zhe)对方(fang)向的深入研(yan)究(jiu)，有望实(shi)现任意组(zu)分的一(yi)维纳米材(cai)料的制(zhi)备(bei)，并推动和深化(hua)其在多个领域的实(shi)际应用。

 

参考来源：

基(ji)于碳(tan)化(hua)钛(tai)衍生(sheng)的一维纳米材料的制备(bei)与应(ying)用(yong)，赵为(wei)为(wei)、金贝贝、江梦月(yue)、刘淑娟、赵强(qiang)（1. 有机电子与(yu)信息显示国(guo)家重点实验室培育基地，江(jiang)苏省生物传感材(cai)料与(yu)技(ji)术重点实验(yan)室(shi)，南(nan)京邮电大(da)学信息材料与纳米技术(shu)研究院；2. 南京大(da)学(xue)配位化学(xue)国家重点(dian)实验室）。

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