渤海大學鄂濤&馬增英SURF INTERFACES：Ca2+修飾TiO2/G增強界面電荷轉移

研究背景

隨著電子、計算機和能源領域高新技術的發展，對新材料的需求越來越大。其中，新型導電材料的研究與開發受到越來越多的關注。對于新型導電材料，除具有較高的導電性之外，還要求具有良好的機械強度、耐高溫和抗氧化性。其中TiO₂因其無毒、化學穩定、耐酸堿等特性而成為常用的襯底。然而，TiO₂固有導電性較低，因此需要對其進行物理化學改性來提高導電性。制備TiO₂基導電材料最常用的方法是包覆法，即在TiO₂表面包覆導電網絡。但是，制備工藝苛刻，且產生廢酸和廢堿污染環境。加之，TiO₂基導電材料應用范圍不斷擴大(如鈣鈦礦太陽能電池、光催化劑、電致變色器件等)，市場需求逐漸增加，因此迫切需要探索制備TiO₂基導電材料的新方法。

文章簡介

近日，渤海大學化學與材料工程學院馬增英碩士研究生為第一作者，鄂濤教授為通訊作者的研究成果《Improved charge transfer by Ca²⁺?modified TiO₂/graphene conductive material for enhancing conductivity》在國際著名期刊《Surfaces and Interfaces》（中科院二區，Q1，IF=6.137）發表。在本工作中，我們通過Ca²⁺對TiO₂進行表面改性，以改善TiO₂與G之間的電荷轉移，從而提高導電性。利用Ca²⁺對TiO₂表面進行修飾提高導電性。合成的Ca²⁺/T/G復合材料的最佳電阻率可達0.077 Ω cm，比未改性的T/G低約70%。根據實驗結果分析，Ca²⁺對TiO₂表面的修飾影響了其表面電位，使其更有利于與G結合，提高了結合強度。同時，Ca²⁺與G上的官能團成鍵，增加額外的電荷轉移路徑，加速電荷轉移。從理論計算的驗證，結合強度的提升和建立額外轉移路徑可促進電荷轉移，從而提高Ca²⁺/T/G復合材料電導率。

本文要點

一、Ca²⁺/T/G的合成機制

?

圖1：

Ca²⁺/T/G復合材料的合成過程示意圖

二、Ca²⁺/T的結構及合成機理

?

圖2：

(a) TiO₂和Ca²⁺/T的紅外光譜；

(b)?TiO₂和Ca²⁺/T的O 1s XPS譜圖；

(c)?TiO₂和Ca²⁺/T的拉曼光譜；

(d)?TiO₂和Ca²⁺/T的XRD譜圖；

(e)?TiO₂和Ca²⁺/T的結構模型。

三、Ca²⁺/T/G的性質及化學狀態分析

?

圖3：

(a,?b) TiO₂、Ca²⁺/T和G的Zeta電位；

(c,?d)?Ca²⁺/T/G的C 1s和Ca 2p的XPS譜圖；

(e)?G、Ca²⁺/T和Ca²⁺/T/G的紅外光譜；

(f)?Ca²⁺/T/G的結構模型。

四、Ca²⁺/T/G的形貌

圖4：

(a-g)?Ca²⁺/T/G的TEM圖；

(h) Ca²⁺/T粒徑圖；

(i) Ca²⁺/T/G的EDS元素映射圖。

五、Ca²⁺/T/G導電性能及機制

圖5：

(a)不同Ca²⁺含量對Ca²⁺/T/G電導率的影響；

(b)不同Ca²⁺含量Ca²⁺/T/G的Nyquist圖；

(c)不同Ca²⁺含量Ca²⁺/T/G的放大高頻Nyquist圖

(d) T/G和Ca²⁺/T/G的Mott-Schottky圖。。

圖6：

(a, b)?T/G和Ca²⁺/T/G的能帶結構圖；

(c, d) T/G和Ca²⁺/T/G的總態密度和分態密度圖。；

圖7：

Ca²⁺/T/G復合材料電導率改善的機制示意圖

結論

本文設計了一種三元導電材料，用Ca²⁺修飾TiO₂表面并與G結合提高TiO₂基導電材料。Ca²⁺修飾的TiO₂納米顆粒為分散在G單層上，界面緊密接觸。電導率的提高可以歸因于Ca²⁺/TiO₂和G兩者之間結合強度的增強，以及形成額外Ca²⁺與G之間的電荷轉移通道。

作者簡介

通訊作者 鄂濤：博士，教授，碩士研究生導師。遼寧省化工清潔生產重點實驗室主任，遼寧省毛皮綠色制造產業技術創新戰略聯盟理事長，渤海大學環境研究院副院長，渤海大學環境工程專業帶頭人。研究興趣：化工清潔生產工藝，土壤與水污染修復技術、碳中和工藝技術開發及鈦基功能材料的制備工藝及應用。在ACS Appl Mater Interfaces，J?Hazard Mater，Sep Purif Technol，J CLEAN PROD，Mater. Today Chem， SCI TOTAL ENVIRON等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文42篇(中科院一區論文12篇)，其中高純鈦的制備及純化機理、狹縫限域選擇性吸附銅離子和石墨烯/TiO₂界面電子轉移機制等研究行業首次報道。主持省部級以上縱向項目24項，橫向項目12項，合同金額1044萬。以第一發明人獲得授權發明專利13項，單項專利轉化額度超100萬。發布浙江省團體標準7項，企業標準42項，在企業建立“20萬標張牛皮革清潔化生產關鍵技術研究與集成示范”生產線一條，清潔化標準5篇論文被行業權威雜志《中國皮革》專題報道，向行業技術推廣。

電子郵箱：etao@bhu.edu.cn

通訊作者 楊姝宜：渤海大學環境工程專業教授，碩士研究生導師。研究興趣：土壤修復技術和固體廢物資源化。在J?Hazard Mater，J CLEAN PROD，ACS Appl Mater Interfaces，Sep Purif Technol，Mater. Today Chem，J. Alloys Compd等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文15篇，擔任《Journal of Alloys and Compounds》，《Journal of Cleaner Production》，《Journal of Polymers and the Environment》等SCI知名期刊審稿人。

電子郵箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

第一作者?馬增英：渤海大學化學工藝專業碩士研究生。研究興趣：導電材料的制備與應用。目前在Journal of Alloys and Compounds,?ACS Applied Materials & Interfaces, Surfaces and Interfaces期刊上發表SCI收錄論文3篇。

電子郵箱：zengyingma@163.com

文章信息

Zengying Ma, Tao E, Shuyi Yang, Lin Liu, Yun Li, Jianhua Qian, Improved charge transfer by Ca²⁺?modified TiO₂/graphene conductive material for enhancing conductivity, Surfaces and Interfaces, 2023, 102779.

第一作者：馬增英

通訊作者：鄂濤

通訊單位：渤海大學

DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.102779

本文由作者供稿