拓扑还原法制备氧缺陷介孔钛铌酸盐纳米片及其高效锂存储性能研究

　　为解决TiNb2 O7 （TNO）材料本征电子电导率低的问题，研究人员通过溶剂热法结合拓扑还原策略，成功制备了具有氧空位的介孔TR-TNO纳米片。该材料通过氧空位、介孔结构和多价态氧化还原对（Ti3+ /Ti4+ 、Nb3+ /Nb5+ ）的协同作用，实现了优异的倍率性能（20C下166 mAh g?1 ）和循环稳定性（1000次循环容量保持率90%）。研究为氧化物负极材料的缺陷工程提供了新思路。

　　

随着电动汽车和智能电网的快速发展，锂离子电池（LIBs）作为核心储能技术面临关键挑战：传统石墨负极因锂枝晶问题存在安全隐患，而尖晶石型Li₄
Ti₅
O₁₂
又受限于较低的理论容量。钛铌酸盐（TiNb₂
O₇
，TNO）因其3.6V vs. Li⁺
/Li的中等电位和387.6 mAh g^?1
的高理论容量成为理想替代品，但其宽带隙特性导致的本征低电导率严重制约实际应用。

为解决这一难题，广西科技计划项目支持的研究团队创新性地采用拓扑还原法，以CaH₂
为还原剂制备了具有氧空位的介孔TR-TNO纳米片。该研究通过结构设计与缺陷工程的协同调控，不仅显著提升了材料的电化学性能，还通过原位X射线衍射揭示了其仅6%的体积膨胀率，相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

关键技术方法包括：1）溶剂热法结合高温烧结制备介孔TNO纳米片前驱体；2）拓扑还原处理引入氧空位；3）同步辐射X射线吸收谱（XAS）分析电子结构；4）原位X射线衍射（XRD）监测充放电过程晶体结构演变；5）以LiMn₂
O₄
为正极组装全电池评估实际应用潜力。

【材料合成与表征】
通过溶剂热反应在180°C下制备前驱体，经700°C烧结和拓扑还原后获得TR-TNO。X射线光电子能谱（XPS）证实氧空位存在，Brunauer-Emmett-Teller（BET）测试显示其比表面积达89.6 m²
g^?1
，是普通TNO的2.3倍。高分辨透射电镜（HRTEM）显示（001）晶面间距从0.38 nm扩大至0.40 nm，有利于锂离子快速扩散。

【电化学性能】
在1C倍率下，TR-TNO首周放电容量达310.5 mAh g^?1
，库仑效率91.3%。动力学分析表明氧空位使电荷转移电阻降低76%，锂离子扩散系数提升两个数量级。特别值得注意的是，20C高倍率下容量保持率达理论值的42.8%，远超未改性TNO（仅19.3%）。

【机理研究】
原位XRD证实充放电过程中材料保持单斜晶系结构（空间群C2/m），体积变化仅6%。XAS分析揭示氧空位诱导的Ti³⁺
/Nb⁴⁺
共存现象，形成连续电子传输网络。密度泛函理论（DFT）计算表明氧空位使费米能级进入导带，带隙从2.8 eV降至1.2 eV。

【全电池性能】
以商业LiMn₂
O₄
为正极组装的扣式全电池，在0.2C下展现202.7 mAh g^?1
的可逆容量，能量密度达599 Wh kg^?1
（基于活性物质总质量）。经过80次循环后容量保持率超过85%，验证了实际应用可行性。

该研究通过拓扑还原法精准调控氧缺陷浓度，首次实现了介孔结构、多价态氧化还原和晶格膨胀的协同优化。TR-TNO材料90%的容量保持率（1000次循环）和166 mAh g^?1
的高倍率性能，为开发安全、高能量密度的锂离子电池负极提供了新范式。特别是该方法无需复杂设备或昂贵试剂，具有显著的工业化应用前景，为其他过渡金属氧化物材料的缺陷工程研究开辟了新路径。