低维TiO2纳米材料的高压结构相变研究

本项目拟以低维TiO2纳米材料为研究对象，利用Raman散射和同步辐射X射线衍射技术，高压原位研究纳米尺度下尺寸、形状和维度对其结构相变的影响，探索不同维度限域下TiO2纳米材料的高压结构相变规律；研究高压相变过程中TiO2纳米材料的微观晶体结构以及形貌变化，揭示相变过程中高压相的成核和生长机制，明确压力对TiO2纳米材料形貌的影响；探索TiO2纳米材料中的压致非晶及非晶多形现象，揭示其物理机制；总结尺寸、维度和形状对TiO2纳米材料高压相变的影响规律，为认识低维纳米体系的新奇物理特性开辟新思路，探索制备新型高压相纳米材料的新途径。

TiO2 纳米材料是研究高压下尺寸效应的典型模型材料。其高压下独特的尺寸选择相变特性以及压致非晶多形现象，拓展了人们对纳米材料物理化学特性的新认识。低维TiO2纳米材料的高压相变研究，对深入认识纳米材料的结构和性质、发现新现象和新规律具有重要的科学意义。本项目中，利用高压同步辐射XRD、Raman光谱等技术在位研究了低维TiO2纳米材料（纳米线、纳米管、纳米片、多孔纳米结构等）的高压结构相变规律。发现了TiO2纳米线中独特的形貌调制高压相变特性，其在压力作用下跳跃了中间相α-PbO2结构，直接转变为斜锆石相。这与相同尺寸纳米颗粒的高压相变行为截然不同。具有高活性{001}暴露面的TiO2纳米片显示出超高的不可压缩特性。其体模量达到317（10）GPa，明显高于相应的体材料和纳米颗粒。这是由于其[001]方向显著的纳米限域效应，使得其容易压缩的O6空八面体比例明显小于其体材料和纳米颗粒。发现了纳米多孔金红石相TiO2微米棒的反常相变压力升高特性，这一反常特性与其纳米颗粒组成的多孔结构有关。在高压下金红石相向斜锆石相转变过程中大的体积塌缩未能发生，导致纳米颗粒的表面能成为影响其相变压力的主要因素。发现了TiO2纳米管（管径~10 nm）在高压下具有良好的结构稳定性，并揭示了其结构稳定性与纳米管状结构的联系。制备出一系列常规方法难以获得的具有高压相结构的新型TiO2纳米材料（α-PbO2结构TiO2纳米线、纳米片、多孔结构，以及低有序（非晶）结构TiO2纳米管等）。这些结果表明，不同形貌和尺寸的TiO2纳米材料体现出完全不同于其体材料的高压相变规律，其形貌和尺寸在高压相变过程中起重要作用。我们的研究揭示了高压条件下纳米材料的形貌和尺寸效应对其结构相变的影响，制备出多种具有高压相结构的新型TiO2纳米材料，为认识纳米材料的独特物理化学特性提供了新的视角。