氢化纳米二氧化钛微结构与性能研究

The hydrogenated TiO2 exhibited superior performance in many applications such as photocatalysis and electrochemisty since it was firstly reported in 2011, and such excellent performance was attributed to its unqiue surface disorder layer, abundant oxygen deficiency and surface group. Although the reported application performance was exciting, the understanding of micro-structure and relationship between structure and property for hydrogenated TiO2 is far from satisfied. The project was designed to use plasma assisted hydrogenation process to treat TiO2 with different size, morphology and polymorph; and the hydrogenated process can be tuned by changing the hydrogen ions density, kinetic energy and reaction time. Furthermore, we plan to characterize the hydrogenated TiO2 by using X-ray adsorped spectrscopy, positron annihilation and nuclear magnetic resonance et al; the purpose is to understand the coordination and electronic structure of Ti species of the surface disorder domain；such characterizations also help us to understand the oxygen deficiency concentration, distribution and H doping for the hydrogenated TiO2; the emphasis is to study the interface interaction between the crystalline core and surface disorder shell, and the application property of obtained hydrogenated TiO2 will be tested. Combined with the understanding of micro-structure and the property, we will know the relationship between structure and property for hydrogenated TiO2. This project will provide basis for the further study and application of hydrogenated TiO2.

氢化纳米二氧化钛（TiO2）自从2011年被报道以来，由于其独特的表面无序层，丰富的氧缺陷和表面官能团，以及在可见光及近红外区域的强吸收，在光催化与电化学领域均展现出与普通纳米TiO2完全不同的性质。尽管所报道的相关应用性能令人鼓舞，然而对于其微结构以及与相应性能关系的理解远远不能令人满意。本项目拟采用等离子体辅助氢化技术对不同尺寸，形貌，晶型的纳米TiO2进行氢化处理，通过改变氢离子动能和密度，反应时间等手段控制纳米TiO2的氢化程度，进而利用X射线吸收谱、正电子湮没、核磁共振等多种物性分析手段研究氢化纳米TiO2表面无序区域钛元素空间配位及电子结构,氧缺陷类型、浓度、分布，以及氢在TiO2的掺杂情况，分析无序层与晶态内核之间的界面相互作用，并测试材料的相关应用性能，初步揭示氢化纳米TiO2微结构与应用性能之间关系，此项研究将为氢化纳米TiO2这一新材料的进一步发展应用提供研究基础。

氢化纳米二氧化钛由于其独特的氧空位结构特性，在很多能量储存及转换领域有着潜在的应用，然而深刻理解这些性能需要对材料微结构与性能之间的构效关系进行深入的研究。在本项目的资助下，项目负责人主要研究了以下方面内容：一、氢化二氧化钛及氧空位二氧化钛可控合成及表征。二、所合成氢化二氧化钛及氧空位二氧化钛在电解水制氢，锂离子电池负极材料，电催化剂载体、光热治疗，太阳能光热水蒸发等应用性能的研究。三、研究氢化纳米二氧化钛微结构与性能之间的构效关系。取得的重要结果如下：一、合成具有氧空位二氧化钛负载的氧化态铂原子簇以及原子级分散的铂氮催化剂，并运用球差矫正扫描透射电镜，X射线吸收谱，X射线光电子能谱，密度泛函理论构造模型优化等方法揭示了材料的微观结构，并测试其在电催化析氢方面的性能，结果显示该材料展现出优异的催化性能以及稳定性，密度泛函理论计算揭示了氧空位在其中的起的重要的激活作用。二、等离子强氢化得到的氢化二氧化钛/泡沫镍复合材料作为双功能电催化剂在电催化析氢和电催化析氧方面均有不俗的表现。密度泛函计算结果揭示氧空位周围的氧原子具有较好的氢吸附能，这解释了其催化性能提高的原因。三、将所制得的氢化二氧化钛与聚乙二醇复合，具有40%的光热转换效率，应用于近红外光热治疗癌细胞，这是首个二氧化钛材料应用于近红外光热治疗的工作，对癌细胞具有较好的光热治疗效果，同时具有低毒性。四、通过石墨烯氧化物与二氧化钛通过仿生钛化的办法有效复合，形成具有多级结构的叠层二氧化钛纳米片，再利用5%氢氩配气处理，发现氢氩气热处理过的材料，其Ti3+与氧空位信息与空气中热处理的明显不同，而且材料的电化学性能也明显不同，这表明氢化通过对微结构的改变影响到了材料的应用性能，当应用于锂离子电池负极材料时，其表现出较高倍率性能和循环稳定性。