近日，南方科技大学材料科学与工程系卢周广教授课题组提出了通过缺陷诱导选择性表面掺杂提升钠离子电池负极材料倍率性能的新策略。相关成果发表于ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.9b03766）。TiO2材料具有资源丰富、环境友好、充放电过程中接近零应力以及理论比容量高等显著优点。然而，由于钠离子（Na+）在TiO2电极材料中扩散缓慢且电子电导率低，导致材料电极倍率性能差，严重制约了其商业化应用。
磷掺杂可有效提升TiO2的电导率。但传统的磷化策略对于TiO2掺杂效率较低。目前报道的水热法、溶胶-凝胶法以及通过分解NaH2PO2进行气体磷化等方法，得到的磷掺杂量普遍低于2 at%。主要原因是TiO2晶体结构很稳定，限制了杂原子的扩散和迁移。此外，相关的文献报道指出，杂原子掺杂浓度过高会破坏材料的结晶度，严重影响其循环稳定性。因此，制备掺杂浓度高且结晶好的二氧化钛材料十分具有挑战性。
卢周广教授课题组发现，氧空位及三价钛等缺陷的存在，不仅可以提高TiO2电极材料的电子电导率，还可以提高Fe、S、P、Mg2+以及Na+等离子的扩散和迁移率。在氧空位及三价钛等缺陷的协助下，TiO2的表面将实现选择性的高浓度P掺杂，从而大大提高TiO2电极材料的在钠离子电池中的电化学性能。因此，课题组开发了一种简单的缺陷诱导P在TiO2表面选择性掺杂的策略：通过与硼氢化钠还原反应，课题组在TiO2表面引入富含氧空位和三价钛缺陷的无定形层，该无定形层在不牺牲主体TiO2结晶度的前提下，在TiO2纳米颗粒的表面选择性掺杂高浓度P，构建出一种均匀的无定形TiO2-x-P层，合成路线如图1所示。

图1. 缺陷诱导表面选择性掺杂策略制备高磷TiO2@TiO2-x-P核壳纳米结构示意图（来源：ACS Nano）
该TiO2-x-P层可作为电子传输的“高速公路”和高效钠离子嵌入/脱出的“缓冲带”。同时，主体的TiO2相保证了整体材料的高比容量以及良好的稳定性。因此，这种特殊的核壳结构赋予了TiO2@TiO2-x-P纳米粒子高电子导电性、稳定的循环性能等优势。
该工作主要由卢周广课题组的南科大-新加坡国立大学联合培养博士生甘庆孟完成，课题组多位成员参与了该研究工作。本项目得到了深圳市科学技术创新委员会基础研究学科部局项目、国家自然科学基金、广东省电驱动力能源材料重点实验室和广东省珠江创新课题组项目等项目的资助，得到了南科大超算中心和分析测试中心邱杨等老师的大力帮助。
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