钛基纳米材料包括各种晶型二氧化钛,层状钛酸盐和尖晶石结构钛酸锂等在能源存储和环境治理领域得到广泛应用。半导体二氧化钛是一种重要的光催化剂,并且其在作为锂离子电极负极材料方面也具有很好的应用前景。TiO2的性能可以通过其晶型、形貌和尺寸的改变来进行调控。此外,各种形态的钛酸盐也被发现具有很好的应用前景。尖晶石结构钛酸锂是目前商用替代石墨负极,改善锂离子电池安全性和稳定性的重要负极材料。层状钛酸盐由于其可调控的层间距和特殊的(TiO6)n八面体层骨架,体现出特殊的选择性吸附和光催化性能。对于半导体TiO2和各种钛酸盐的可控合成和性能研究是进一步拓展钛基纳米材料应用的重要方法。本论文就以此为出发点,首先对于钛基纳米材料的研究背景进行了简单回顾,并据此合成了具有特殊形貌或结构的纯相和复相TiO2微纳结构,钛酸锂纳米颗粒和层状钛酸纳米片等结构,并对材料结构和性能的内在关系进行了深入研究。本论文的主体实验部分主要包括以下五项内容:通过乙二醇溶剂热法和煅烧处理,制备了一种新型的TiO2微米球。该微米球是由含有锐钛矿和TiO2-B复合相的超薄纳米片组装而成,在作为锂离子电池负极材料时表现出很好的储锂性能。通过比较不同煅烧温度下得到的样品,发现样品中锐钛矿/TiO2-B界面处存在有效的Li+和e-电荷分离,从而可以在界面处储存大量的Li+,产生额外的容量。另外,材料的超薄纳米片结构可以缩短Li+的扩散路径和增加电极材料与电解液的接触,提高材料的电荷传输效率。电化学测试结果表明,550 oC煅烧得到的样品(AB550)表现出最好的储锂性能。在电流密度高达3400和8500 mA g-1时循环1000次后,其可逆容量分别为180和110 mAh g-1,表现出高的快速充放电容量和循环稳定性。以CaTiO3微米盒为前驱物,通过拓扑转化反应将其转变为由纳米颗粒有序组装而成的新颖三维锐钛矿TiO2微米盒。该微米盒的六个侧面均为具有高Li+扩散系数的锐钛矿{001}晶面显露。当作为锂离子电池负极材料时,所合成的三维TiO2微米盒凭借其突出的结构稳定性,高比表面,和高{001}面显露,表现出优异的高倍率储锂性能和长循环稳定性。在5 C (850 mAh g-1)循环800次后,其可逆容量仍高达175 mAh g-1,而在50 C (8500 mAh g-1)高电流循环长达5000次后,材料仍保持约95 mAh g-1的可逆容量。这一结果与众多已报道的文献数据相比较,表明所合成的三维TiO2微米盒是一种非常有竞争力和应用前景的锂离子电池负极材料。通过拓扑剥离,外延生长等多步实验设计,以上述三维锐钛矿TiO2微米盒为自模板,制备出了由柔性二维超薄TiO2纳米带三维有序交织而成的三维中国结状纳米结构。该材料具有超高的比表面积,302 m2 g-1,可以有效地缩短Li+传输路径和增加电极/电解液接触面积。特殊的三维交织结构同时也可以提高材料在充放电过程中的循环稳定性。最终电化学测试结果表明,该材料具有比前驱物三维TiO2微米盒,分散的TiO2纳米带和锐钛矿/TiO2-B超薄片球(AB550)更好的倍率性能。在10 A g-1的大电流密度下循环3000次后可逆容量仍高达127 mAh g-1,充分体现了材料作为快速充放电锂离子电池负极材...