具有優(yōu)異性能的無機材料結(jié)構(gòu)在快速和長壽命儲能裝置中引起人們廣泛的研究興趣。納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦（TiO2）作為典型氧化物之一，由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用安全和成本低廉，成為鈉離子電池（SIB）負極材料的研究熱點。一維（1D）TiO2納米管由于具有大表面積、快速電子/離子傳輸和短離子擴散路徑等性質(zhì)引起了研究者的極大關(guān)注。為了充分發(fā)揮1DTiO2納米管在超快充電鈉離子電池中應用的優(yōu)勢，要設計新穎的結(jié)構(gòu)和簡便的制備方法。

最近，天津大學趙乃勤教授和澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授團隊合作開發(fā)了一種簡便的凝膠衍生方法，首次合成出1D細長的非封閉納米管結(jié)構(gòu)，呈高縱橫比和開放管狀，由銳鈦礦/青銅礦TiO2納米晶壁組成，具有優(yōu)異的電子/離子傳輸和反應動力學性質(zhì)。作為SIB的負極材料，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)良的倍率和長循環(huán)性能：在電流密度16C下循環(huán)4000次后仍具有107mAhg-1的容量，在32C時容量為94mAhg-1。這種新穎的納米結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的特性在超快和長壽命充電電池方面將具有很好的應用潛力。該成果近期發(fā)表在國際優(yōu)秀期刊AdvancedMaterials上（影響因子：21.950）。

該成果的核心內(nèi)容是：首先，利用溶膠凝膠法，設計合成了寬為80nm，厚為13nm，長達數(shù)十微米的1D細長的納米帶結(jié)構(gòu)（圖1a-c）；然后通過簡單的煅燒過程，1D細長的納米帶結(jié)構(gòu)在400°C形成了非封閉納米管（SNT）（圖1d），其長度達數(shù)十微米、直徑為25nm，厚度為7.8nm（圖2a-c）。進一步表征發(fā)現(xiàn)：TiO2SNT由細小的銳鈦礦/青銅礦TiO2納米晶壁構(gòu)成（圖2d）。該納米材料的結(jié)構(gòu)形貌和材料組成上的特點賦予了其特殊的性質(zhì)：高縱橫比和內(nèi)部開放的管狀1D納米結(jié)構(gòu)保證了高的比表面積和電子/離子傳輸性質(zhì)；銳鈦礦/青銅礦TiO2納米晶壁進一步提高了電子/離子擴散和鈉離子存儲位點。因此，將TiO2SNT應用鈉離子電池負極時，獲得了優(yōu)良的倍率和長循環(huán)性能（圖3）。

圖1.a）SEM圖像，b）TEM圖像，和c）CH3COO-[Ti-O-Ti]-OBu凝膠的HRTEM圖像。d）由凝膠轉(zhuǎn)化的TiO2SNT的制備的示意圖。

圖2.a）SEM圖像，b）TEM圖像和相應的SAED圖案，c，d）TiO2SNT的HRTEM圖像。（b）中的插圖是子納米管橫截面的示意圖；（b）中的字母h，R和α分別表示SNT壁厚，外SNT半徑和滾動弧度；A，B和（d）中的線分別代表銳鈦礦，青銅礦和微晶界面。

圖3.Na半電池的TiO2SNT的電化學性質(zhì)：a）CV曲線。b）Am-TiO2SNT，TiO2SNT和Pa-TiO2SNT的速率性能。c）16C下的長壽命循環(huán)性能。d）不同速率下的CV曲線和相應的e）電容貢獻。1C=335mAhg-1。