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我们(men)熟(shu)知的碳化钛（TiC）是典型的(de)过(guo)渡金属(shu)碳化物，拥有高熔点(dian)、高硬度、高杨氏模(mo)量、高化学稳定(ding)性(xing)、耐(nai)磨(mo)和(he)耐(nai)腐蚀、良好的(de)电(dian)导和(he)热导等特性(xing)，因(yin)此其在切(qie)削刀具、宇(yu)航(hang)部件、耐(nai)磨(mo)涂层、泡沫(mo)陶瓷(ci)和(he)红外辐射(she)陶瓷(ci)材料等方面有着广泛的(de)用(yong)途和(he)巨大的(de)潜(qian)力。

 

TiC金属陶瓷粒

但近(jin)些(xie)年随着研究的开展，二维碳化钛纳米材料逐(zhu)渐(jian)引起关(guan)注，这(zhei)是一种类(lei)石墨(mo)烯结(jie)(jie)构，具有很高的应用(yong)价值(zhi)。这(zhei)种结(jie)(jie)构由几个(ge)原子层厚(hou)度(du)的过渡金(jin)属碳化(hua)钛构成，化学式是(shi)Ti_n+1C_nT_x(n=1~3)，T代(dai)表化学官能(neng)团（如-OH、-O和(he)-F），常(chang)见的碳化钛材料有Ti₃C₂、Ti₂C、TiC等。

 

层状(zhuang)结构的碳化钛

自2011年美(mei)国德雷塞尔大学Gogotsi教授(shou)课题组报(bao)道了第一个(ge)Ti₃C₂材(cai)(cai)料后，碳化钛材(cai)(cai)料因优异(yi)的导(dao)电性(xing)、原(yuan)子层(ceng)厚度、亲水性(xing)、高电负性(xing)等优点，在锂(li)/钠离子电池、电容器、催化和传感等(deng)领域得到了广泛(fan)应用。目前，关于(yu)碳化钛(tai)的研究主要集(ji)中在超薄纳米片的制备与应用。

 

纳(na)米碳(tan)化钛(tai)材料

但是经研究发现，碳化钛纳米片存在一个弊端，即(ji)在使用过程中易发生堆叠，不利于离子(zi)/电子传输。

相比之(zhi)下，碳化(hua)钛(tai)衍生的一维纳米材料可以(yi)有效克服上述(shu)缺点，并展现出大的长径比(bi)、高比(bi)表面积、更(geng)多的活性(xing)位点(dian)等优(you)点，进而有(you)效避免了活性(xing)材料的紧密堆积，提高了离子/电子定向传导能力，缩短了(le)响(xiang)应时间并延长了(le)循环寿(shou)命。

因此，基于(yu)碳化钛起始物(wu)衍生成一维纳米材(cai)料，已成为(wei)主要研究方向，主要包括(kuo)碳化钛（Ti₃C₂）纳(na)米带、钛酸盐(yan)纳(na)米带和二氧(yang)化钛（TiO₂）纳米线(xian)。

碳化钛衍生一维(wei)纳(na)米材料(liao)

在(zai)目(mu)前的研究中，以二维(wei)Ti₃C₂为(wei)起始物转化为(wei)一维纳(na)米结构的衍生转化过(guo)程主要涉及(ji)两类机理(li)。

第一类机理: 二维碳化钛在(zai)振荡或水解作用(yong)下(xia)，首先在(zai)纳米(mi)片的(de)边缘产生缺陷位点(dian)，然(ran)后在(zai)剪切力作用(yong)下(xia)，Ti-C键发生断裂，进而生成一维纳米结构；

第(di)二(er)类机(ji)理(li): 碳化钛表(biao)面的(de)Ti原(yuan)子首先被氧化(hua)生成TiO₂纳(na)米颗(ke)粒，然(ran)后碱化生(sheng)成钛酸盐纳(na)米线或外延生(sheng)长制备出TiO₂纳(na)米线。

1. 碳(tan)化钛（Ti₃C₂）纳米带

二维层状(zhuang)碳(tan)化钛（Ti₃C₂）具有良好的(de)(de)导电性(xing)、高的(de)(de)结构(gou)稳定性(xing)、丰富的(de)(de)表面化(hua)学性(xing)质等优点，在能量存储(chu)、电催化(hua)、光(guang)催化(hua)、光(guang)电探(tan)测、传(chuan)感、再生医学等领域具有广阔的(de)(de)应用前景(jing)。一(yi)维Ti₃C₂纳米结构可展现出(chu)优(you)(you)于(yu)二维超薄纳米片的诸多性(xing)能优(you)(you)势，当一维Ti3C2纳米带(dai)发生团聚(ju)时，可以生成三维多孔网(wang)络框(kuang)架，提供较大的离子(zi)传输通道，促进(jin)电子(zi)/离子传输。

 

单层(ceng)Ti₃C₂纳米材料

2. 钛酸盐纳(na)米带

碱金属钛酸盐因具(ju)有良好的(de)生物相(xiang)容性、热(re)稳定性、高机械(xie)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，其中，一维碱(jian)金属钛酸盐(yan)纳(na)米(mi)材料具有独特的电(dian)子(zi)传输行为(wei)、光学(xue)特性、电(dian)化学(xue)性能、力学(xue)机(ji)械性能等(deng)优点, 在催化、储氢、化学传(chuan)感器(qi)、离子(zi)交换、分子(zi)吸附等领域展现出增强的性能。

采(cai)用手(shou)风琴状Ti₃C₂块体(ti)作为原料，向一维超(chao)薄(bo)钛酸钠(NaTi_1.5O_8.3，M-NTO)和钛酸钾(K₂Ti₄O₉，M-KTO)纳(na)米带的衍(yan)生转化(hua)制备。

 

用Ti₃C₂制备钛酸盐纳米带

3. 二氧化(hua)钛（TiO2）纳米线

TiO₂是一类多功(gong)能的n型半导体材(cai)料, 具有优异的亲水(shui)性(xing)、良好(hao)的化学稳定性(xing)、廉价、无毒、环境友好(hao)等优点(dian)，被广(guang)泛应(ying)用于光(guang)催(cui)化、光(guang)电转化、传感器(qi)、

储能等领(ling)域。一维TiO₂纳米(mi)线结合了一维材料和TiO₂的诸(zhu)多优(you)点，展现出优(you)异的性能。

室温溶(rong)液相氧化法是制备(bei)Ti₃C₂衍生(sheng)的(de)一(yi)维TiO₂纳米线的主要方法，碳化钛表面的Ti原(yuan)子首先被氧化(hua)生成TiO₂纳(na)米颗粒，然后外(wai)延生(sheng)长(zhang)制(zhi)备(bei)出TiO₂纳米线。

 

TiO₂纳米线(xian)

碳化钛衍生一维纳米(mi)材料的应用

1. 能(neng)源(yuan)存储

（1）钠离子电池

由于钠(na)储(chu)量丰富、成本(ben)低、分布广，且(qie)具有(you)与锂相似的物理化(hua)学性质，成为可替(ti)代锂离子电池的理(li)想能源(yuan)之一。而钠离子半径(jing)较大，需(xu)要(yao)较宽的传输通(tong)道(dao)，因此，对电极材料要(yao)求(qiu)拥有(you)足够宽的容纳(na)Na⁺的空间。

钛酸盐(yan)具有容纳Na⁺离(li)子的界面层空间(jian)、较(jiao)低的工作电(dian)压(ya)、特(te)殊的化学持久(jiu)性(xing)和环境(jing)友好性(xing)，已(yi)被广(guang)泛地(di)用作(zuo)钠(na)离子电池的活性材料，而一维(wei)纳(na)米材料具有定向的电子/离子(zi)(zi)传导路(lu)径和(he)较强的应(ying)变承受能力，目前已(yi)有(you)(you)高效电(dian)池活(huo)性材料的应(ying)用，因此一维(wei)钛酸盐纳米材料有(you)(you)望成为钠离子(zi)(zi)电(dian)池的理想电(dian)极材料之一。

 

钠离子(zi)电池(chi)已开始商(shang)用

（2）钾离子(zi)电(dian)池

相对于锂离子(zi)电池(chi)(chi)和钠离子(zi)电池(chi)(chi), 钾离子电池具有资源(yuan)丰富廉(lian)价、输出电(dian)压高(gao)、能量密度高(gao)、充放电(dian)效率高(gao)等优(you)势。但(dan)钾离子的半径(jing)较大(da)，导致钾离子充放电(dian)过(guo)程中电(dian)极的(de)体(ti)积形变(bian)较大、动力学较缓慢，进(jin)而降低了其倍(bei)率(lv)特性和循环稳定性。因(yin)此，钾(jia)(jia)离子电池要求电极材料具(ju)有稳(wen)定(ding)的(de)框架结构、较(jiao)大的(de)钾(jia)(jia)离子传输间隙，能够有效地(di)缓解嵌入(ru)/脱出过程(cheng)带来的体(ti)(ti)积膨胀效(xiao)应。

采用Ti₃C₂纳米带作为钾离子电池的活性材料，主要有以下优点：①Ti₃C₂纳米(mi)带(dai)扩(kuo)大的界面层空间易于(yu)K⁺存(cun)储和快速(su)扩散；②Ti₃C₂纳米带交联(lian)的三维多孔框架可以降(jiang)低(di)离子(zi)扩散长度；③Ti₃C₂纳米带(dai)所具(ju)备的大的比表面积(ji)、高(gao)的电(dian)子导电(dian)性和端基-O官(guan)能团都促进(jin)了性(xing)能的提升(sheng)。

 

钾离子电(dian)池(chi)

（3）锂硫电(dian)池

锂硫电(dian)池以(yi)硫元(yuan)素(su)作为电(dian)池正极、金(jin)属(shu)锂(li)作为负极，具有较高的能(neng)量(liang)密度(du)，同时(shi)具有廉(lian)价、丰富和环境友(you)好(hao)的优势。但在锂硫电池充放电过程中，发生的诸(zhu)多副(fu)反应降(jiang)低了电池比(bi)容量和速率活性，并提高了放电延(yan)迟时(shi)间(jian)。

将硫嵌(qian)入多孔(kong)或者中(zhong)空的纳米结(jie)构(gou)中(zhong)是减弱穿梭效(xiao)应的一种有效(xiao)方(fang)法，通(tong)过将硫嵌入Ti3C2纳米带交联的三维网络框架(jia)，构建的锂硫电(dian)池具有(you)高能(neng)量密度和长(zhang)循(xun)环寿命。

 

已在(zai)一些领域应用的锂(li)硫(liu)电(dian)池

2. 电催化

电催化在(zai)新型可持续能源利(li)用和开发(fa)方面有着广(guang)泛的应用前景，其中, 电催化析氢（HER）是一类重要的(de)(de)电(dian)催化反(fan)应，核心是水分解(jie)反(fan)应的(de)(de)半反(fan)应，通过开发高效的(de)(de)电(dian)催化剂可以有效降(jiang)低HER反应的电位，从而减少能量损耗。

目前, 铂(Pt)、铱(Ir)、钯(ba)(Pd)等贵金属被认为是高效(xiao)的HER催(cui)化(hua)剂，但是资源稀缺性与高成本(ben)极大地限制(zhi)了其在(zai)HER领域的应用。 近年来，由于Ti₃C₂的(de)低成本、高(gao)电(dian)导(dao)率和高(gao)催化(hua)活性(xing)等优点，使其在HER领(ling)域得(de)到了广泛应用，一(yi)维Ti₃C₂纳米纤维可(ke)缩短电(dian)子的传输(shu)路径，促(cu)进电(dian)荷传输(shu)，进而提升(sheng)HER活性。

除此之外, 一(yi)维(wei)Ti₃C₂纳(na)米纤维在氧气还(hai)原反(fan)应(ying)、二氧化(hua)(hua)(hua)碳还(hai)原、人工固(gu)氮、甲醇电催(cui)化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)等电催(cui)化(hua)(hua)(hua)领域也具(ju)有广阔的(de)应(ying)用前景(jing)。

 

电(dian)催化析氢

3. 传感(gan)

近(jin)年来，湿(shi)度传感器已在(zai)呼吸速率(lv)检测、非接(jie)触式(shi)开关、皮肤湿(shi)度检测、婴

儿尿布润(run)湿监(jian)测等方(fang)面获得实(shi)际应用。目前，石墨(mo)烯(xi)、硫化物、金(jin)属氧化物及其复(fu)合物等材(cai)料已被用作湿度传(chuan)感器的活性材(cai)料。

2019年(nian)，通过(guo)二维(wei)Ti₃C₂超薄纳米片原位衍生(sheng)的TiO₂纳米(mi)线(xian)制备(bei)的(de)Ti₃C₂/TiO₂复合材料首次被应用于湿(shi)度传感器(qi)，交错的树枝状Ti₃C₂/TiO₂纳米线结构(gou)具(ju)有良(liang)好的吸附性(xing)能(neng)(neng)，有利于形成连续的水层，是增强传感膜导电性(xing)能(neng)(neng)的直接传导途径（特别是在低相对湿度环境下）。

此外(wai)，该类材料(liao)还有望在温度传(chuan)(chuan)感器(qi)、生物传(chuan)(chuan)感器(qi)、气(qi)体传(chuan)(chuan)感器(qi)和(he)压力传(chuan)(chuan)感器(qi)等领(ling)域实现重(zhong)要应用。

 

湿度传感器

总结

基于Ti₃C₂衍生的一维纳(na)米材料目前(qian)主要集中(zhong)在能源存储、电(dian)催(cui)化和传感三个(ge)领域，因此(ci)，这些材料的应用仍(reng)存在一定的局限性。在未来的研究中可(ke)将基于

Ti₃C₂衍生的(de)一维纳米材料的(de)应(ying)用拓展至(zhi)其他领域，也可将这种一维(wei)转化扩展(zhan)至Sc₂C、Hf₂C、W₂C、Ti₂C等碳化(hua)(hua)物材料的(de)衍生，其制备和(he)(he)应用具有工(gong)艺简(jian)单、能耗低、制备效率高、产(chan)物性能多样等优点，随着对方向的(de)深入研究，有望(wang)实(shi)现任意组分的(de)一维(wei)纳米材料的(de)制备，并推(tui)动和(he)(he)深化(hua)(hua)其在多个(ge)领域(yu)的(de)实(shi)际应用。

 

参考(kao)来源(yuan)：

基(ji)于碳化钛(tai)衍(yan)生的一维纳米材(cai)料的制备与应用，赵(zhao)为(wei)为(wei)、金贝(bei)贝(bei)、江(jiang)梦月、刘淑娟、赵强（1. 有机电(dian)子与信息显(xian)示国(guo)家重(zhong)点实验室培育基(ji)地，江(jiang)苏省生物传感材料与技术重点实验室，南京邮电大学信息材料与纳米技(ji)术(shu)研究院(yuan)；2. 南(nan)京大学(xue)配(pei)位(wei)化学(xue)国家重点实验室）。

粉体(ti)圈小吉(ji)