钙钛矿结构的钛酸盐(钛酸钙、钛酸钡和钛酸锶等)作为功能材料已成为研究的热点,其ABO₃结构中的A位为不变价的二价离子。FeTiO₃是一种n型半导体材料,具有与ABO₃结构相同的[BO₆]八面体,但是可变价Fe离子能够引起A位和B位离子价态的变化并造成晶体缺陷,如氧空位。另外,利用改变煅烧气氛或者掺杂异价离子的方法对FeTiO₃的微观结构进行调控,进一步引入晶体缺陷,这些变化必然引起FeTiO₃物理化学性质的改变。本文通过溶胶-凝胶法制备了FeTiO₃纳米粉体,通过还原气氛煅烧和异价离子掺杂调控微观结构、离子价态和缺陷等,系统地研究了制备工艺参数和离子掺杂对FeTiO₃相组成、离子价态、微观结构和缺陷的影响,并探索了其作为吸附材料、光催化材料和锂离子电池负极材料的物理化学性能,分析了相组成、微观结构和晶体缺陷对性能的作用机制。研究表明:煅烧气氛、煅烧温度、CO分压和铁钛比对FeTiO₃的相组成和离子价态都有很大影响。氧化气氛下煅烧,获得的主相均为Fe₂TiO₅。只有在还原气氛下,煅烧温度在500℃~700℃时,获得纯FeTiO₃晶体。进一步提高煅烧温度FeTiO₃会分解出一部分TiO₂。温度升高样品中Ti³⁺含量减少,Fe²⁺含量增加,氧空位浓度降低;CO分压增加会促使FeTiO₃分解出TiO₂和Fe₃C。同时,随CO分压增加,样品中Ti³⁺含量增加,Fe²⁺含量减少,氧空位浓度逐渐增加;铁钛比低于1:1时,样品的相组成为FeTiO₃和TiO₂,铁钛比1:1时,样品为单相FeTiO₃,高于1:1时,相组成为FeTiO₃、Fe₃C和Fe₃O₄。随着铁钛比增加,样品中Fe²⁺含量增加,Ti³⁺含量减少,氧空位浓度降低。铌掺杂影响钛酸亚铁的相组成、晶格常数、离子价态、氧空位和能带结构等。铌掺杂量低于5mol%时,铌离子进入FeTiO₃晶格中,样品仍为单相FeTiO₃,铌掺杂量高于5mol%时,样品会出现TiO₂相,且TiO₂的比例随着铌掺杂量增加而增多;铌掺杂使得FeTiO₃的晶格常数a和c逐渐降低,且铌掺杂抑制了FeTiO₃晶粒的长大;随着铌掺杂量的增加,样品中Ti³⁺比例逐渐增加,Fe²⁺比例逐渐减少,对应的氧空位浓度不断增加;铌掺杂使得FeTiO₃的禁带宽度逐渐变窄。FeTiO₃纳米粉体具有很好的染料吸附性能和光催化性能。吸附过程是基于氢键作用和静电力作用力下的单层吸附行为。铌掺杂和不同铁钛比样品对CR和MB具有一定的光催化降解效果,对MB的催化效果优于CR。两组样品的催化作用机制分别为:对于铌掺杂样品来讲,主要是通过减小带隙宽度、增加氧空位、增加Ti³⁺和细化晶粒等影响催化效果;对于不同铁钛比样品,主要是通过形成FeTiO₃-TiO₂异质结作用于光催化过程。此外,FeTiO₃在吸附和光催化方面都表现出良好的再生性,加之钛酸亚铁本身具有磁性,可以通过外加磁场进行分离回收后循环利用。作为锂离子电池负极材料,纳米钛酸亚铁表现出优异的储锂性能。样品形貌、相组成和铌掺杂对储锂性能有很大影响。钛酸亚铁纳米片样品的比容量优于纳米粉体,单相FeTiO₃的比容量优于FeTiO₃-TiO₂混合相,一定量铌掺杂钛酸亚铁的比容量优于未掺杂样品。所制备FeTiO₃电极具有较好的倍率性能和循环性能。其中,1Nb-FTO-S的样品电极在50 m A/g倍率下提供了782.1 m Ah/g的高比容量,这一结果优于目前研究的钛基锂离子电池负极材料。