东华大学Nature 子刊：视觉嵌入化学反应控制金属氧化物的电子导电性

阳离子嵌入是优化金属氧化物电子结构的有效方法，但通过操纵离子运动来调整嵌入结构和电导率是困难的。基于此，东华大学闫建华研究员等人报道了一种视觉拓扑化学合成策略，以控制嵌入途径和结构，并实现在室温下1 min内快速合成柔性导电金属氧化物薄膜。柔性TiO₂纳米纤维薄膜为原型，作者设计了三种电荷驱动模型，将Li⁺插入到TiO₂晶格中，缓慢（µm/s）、快速（mm/s）或超快（cm/s）。

所有模型中的Li⁺嵌入导致Ti⁴⁺还原为Ti³⁺，晶格膨胀，并在TiO₂晶体中产生氧空位，导致薄膜从白色到蓝色再到黑色的实时颜色变化，基于嵌入的电子传导途径同步建立。插层结构中含有低稳定、导电性高的黑色TiO_2-δ结构（>40 S/m），高稳定、导电性低的蓝色Li_xTiO₂结构（1-40 S/m）。

通过理论计算，作者研究了D-Li_xTiO_2-δ的缺陷结构和Ti-O键的隧穿。作者计算了TiO₂晶格表面Li⁺-离子吸附及其电荷转移途径，结果表明电荷明显从Li原子转移到Ti原子，证实了电子可以穿过Ti-O键，然后沿着Ti-O-Ti-O通道向前移动到下一个Ti-O键，形成一个连续的传导路径。

吸附Li前后，TiO₂的投影态密度（PDOS）显示，在费米能级的左侧出现了一个由Ti 3d组成的新的电子填充带隙态，解释了Ti³⁺物种的存在，这是由于TiO₂ NF表面上Ti位点的部分还原所致。

在Li⁺离子掺入后，含氧空位的D-Li_xTiO_2-δ的带隙比Li_xTiO₂小，但两者都小于原始TiO2。D-Li_xTiO_2-δ的窄带隙表明，Ti由+4态还原为+3态，锂化作用增强了TiO₂的电子转移能力。D-Li_xTiO_2-δ具有较低的Li⁺离子扩散势垒和优异的导电性，是锂离子电池极具潜力的负极材料。

Control of metal oxides’ electronic conductivity through visual intercalation chemical reactions. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41935-x.

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东华大学Nature 子刊：视觉嵌入化学反应控制金属氧化物的电子导电性

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