钛黑粉

黑钛，化学式Ti4O7，英文名称Titanium black，属于钛亚氧化物（TinO2n-1，4≤n≤10）中的一种，因其独特的晶体电子结构及物理化学特性，使之具有优异的导电性、强的抗腐蚀能力、优秀的机械性能等，潜在市场价值过千亿，是一种极具应用潜力与研究价值的新型材料。然而，作为TiO2衍生的高附加值的Ti4O7材料，我国每年需要大量进口，其国际售价是TiO2的数倍至数十倍。Ti4O7产业技术的落后，致使我国在氧化钛功能化和深度加工领域受制于人，不但经济利益受损，更会影响我国钛产业的长远发展。因此，发展Ti4O7可控制备技术，实现相关工艺的国产化，无疑具有十分重要的现实意义。 Ti4O7的主要特点： 1. 蓝黑色粉末，具有金属光泽，斜方晶系结构，晶格常数α=0.3747 nm，相对密度4.2 ~4.5 g/cm3，熔点1750~2180℃，折射率2.1~2.4/550 nm，透光范围400~12000 nm。 2. 由二维氧化钛八面体链组成，每4层失去一个氧原子，形成有序的平面氧缺陷；也可被看作由三个TiO2正八面体和一个TiO正八面体组成，在TiO层中氧原子实现共面连接。 3. 单晶电导率可达1500 S/cm，实际应用制成涂层的导电性优于石墨材料。 4. 具有高化学稳定性（耐强酸强碱）和电化学稳定性（水溶液中稳定电压窗口在3.0V以上），是目前最耐腐蚀的导电材料。 5. 在整个可见光区和红外光区都具有较好的光吸收能力，同时，Ti4O7在800℃以下具有很强的微波吸收性能，高于常用的碳化硅材料，也是一种新型的微波辅助加热材料和微波波导材料。此外，还具有其它很多优良性质如高折射率、抗氧化性能、高的热电性能、无毒害以及机械强度高等。 1. 新型储能电池电极材料 大规模的储能系统可以缓解电网系统固有的低效和不足，有助于提高电网的可靠性，促进间歇性可再生能源的充分整合。电池具有快速充放电速率、高能量密度和易于规模化等优点，是很好的储能方式。但目前电池材料，还不能很好地解决抗氧化和酸碱腐蚀性问题，如锂离子电池中石墨烯层状电极材料，在酸性条件下会腐蚀在氧化条件下会产生CO、CO2等气体，大大影响着电池的使用寿命、安全性等问题。Ti4O7具有优异抗氧化、酸碱腐蚀性，同时且具有良好的导电性，将其应用在储能电池电极材料中，可以有效地提高电池的高容量、长循环寿命、稳定运行性能和可靠性等问题，实现大规模的电能储能和分布式储能。 2. 新型接地材料及保护性涂层 接地网是保证电网安全运行的重要装置，主要用于工作接地、防雷接地和保护接地，是确保人身、设备、系统安全的重要环节。为了节约有色金属，我国一直采用“以钢代铜”的思路，大大降低了一次建设成本。但在复杂的土壤环境中，金属导体容易被氧化和腐蚀，使其使用寿命大大降低，可能起不到接地作用；在极端天气和土壤条件下，如西藏等高寒地区，采用的石墨烯作为接地棒材料，会被氧化腐蚀，变成疏松多孔片状结构脱落，使其使用寿命降低。Ti4O7具有优异抗氧化、酸碱腐蚀性，同时且具有良好的导电性，在偏远高寒地区和复杂恶劣的土壤环境中，可以作为理想的接地棒材料或者金属导体的保护性接地涂层，大大提高其使用寿命，提高接地网的安全可靠性。 3. 燃料电池新型催化剂载体 在全球实现能源经济脱碳的背景下，燃料电池汽车得到越来越多的青睐，国内燃料电池汽车潜在市场高达500~800亿元。目前燃料电池常用的Pt/C催化剂在使用过程中存在诸多问题，如氧化腐蚀严重，Pt团聚脱落堵塞质子交换膜，碳氧化产物CO导致Pt中毒失效等，为了解决这些问题，需要开发非碳材料作为催化剂载体。Ti4O7是OER和ORR反应优良的催化剂载体，同时Pt/Ti4O7具有突出的稳定性。因此，Ti4O7在燃料电池中作为催化剂载体，可以提高催化剂的催化活性，同时具有更好的抗腐蚀能力和稳定性，具有很大的应用前景。 4. 新型光电和热电材料。 我国的太阳能发电普及率较低，大部分太阳能电池板的主要材料是“硅”，制作成本大，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题。TinO2n－1（n=4, 5, 6, 8, 9）具有温差电效应，Ti4O7相中的晶体剪切平面起到声子散射源的作用，能够增强晶体剪切平面上的声子散射，降低Ti4O7材料的热导率，从而使Ti4O7材料具有良好的热电、光电转化特性，同时耐高温，抗腐蚀，可以在传感器和太阳能电池等领域得到广泛应用，特别是在极端恶劣的条件下。 由于TiO2（带隙E=3.2 eV）在紫外范围内具有催化活性，能用于有毒物质的催化降解，二氧化钛（钛白粉）已被广泛应用于有机污染物的光催化降解。但其只能在紫外范围内才具有催化活性，而Ti4O7具有更小的带隙宽度，其光学吸收范围覆盖整个可见光波段并且延伸到近红外区，从而具有更好的催化活性，且其具有抗氧化，腐蚀性能力强，使其成为一种更高效的光催化剂和能量转换材料，在环保方面具有很大的应用市场。 6. 新型惰性电极材料 在现代的工业生产中，在电解水、电解冶金、电镀、电化学土壤修复、废水处理、阴极保护、电泳等领域都离不开惰性电极的使用。很多情况，惰性电极都是在酸性或碱性电解液中使用，这对电极的抗腐蚀性能力提出了挑战，而Ti4O7具有抗强酸强碱的能力，同时具有良好的导电性，在惰性电极材料具有很大的实际应用价值。 7. 无毒害生物医学设备 8. 铅酸电池负极极材料或正极导电添加剂 目前应用在国防和军队上应用得最多的电池电源还是铅酸蓄电池，因为其放电时电动势较稳定，工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好。但是传统的铅酸电池的阴极为C棒，在酸性条件下容易腐蚀。Ti4O7可以作为正极导电添加物可以提高正极活性物质的成型性和利用率以及电流分布的均匀性，使其容量提高。同时Ti4O7具有无毒、低碳、耐磨、高效、高比等性能，也可以做铅酸电池的电极材料，可以很好地提高铅酸电池的长期循环使用寿命、可靠性和比能。能广泛应用于潜艇、坦克等需要独立电源武器装备，具有重要的战备意义。 9. 空间站太阳能电池板 Ti4O7材料具有良好的热电、光电转化特性，且具有更好的可塑性和延展性，没有硅脆，耐高温性的优点，使其可以利用于太阳能转换技术，为空间站和卫星提供动力。 10. 导电润滑添加剂 由于Ti4O7具有高的耐磨性和导电性，且具有很好的分散性，可用做导电润滑剂，改善材料的性能，如：润滑油，延长机械的使用寿命。