通过静电纺丝法制备的镍掺杂TiO?纳米纤维具有优异的介电和电化学性能，适用于超级电容器应用

《Journal of Energy Chemistry》：Enhanced dielectric and electrochemical properties of nickel-doped TiO ? nanofibers synthesized via electrospinning for supercapacitor application

本研究通过电纺法合成0%、1%、2%（质量比）镍掺杂的TiO?纳米纤维，探究其介电与电化学性能。XRD分析显示掺杂纳米纤维含金红石和锐钛矿相，Ni@TiO?-2wt%在480K时介电常数达14500，归因于空间电荷极化和氧空位形成。电化学测试表明Ni掺杂显著提升比电容，Ni@TiO?-2wt%达281.48 F/g，优于未掺杂和低掺杂样品。研究证实优化镍掺杂可有效增强TiO?纳米纤维的介电与储能性能。

　　
本研究聚焦于通过电纺法合成镍掺杂钛二氧化物（Ni@TiO?）纳米纤维，系统探究其介电特性与电化学储能性能的关联性。研究团队来自印度拉贾斯坦邦贾姆MU尔罕贾姆大学固体状态研究实验室，主要作者包括Asma Tahir、Sheikh Irfan等，实验合作方涉及材料合成、结构表征及电化学测试等多个领域。

**材料制备与结构分析**
实验采用钛异丙醇酯（TTIP）与聚醋酸乙烯（PVAc）作为前驱体，通过电纺工艺制备纯钛二氧化物纳米纤维及不同镍掺杂比例（0%、1%、2%）的改性材料。研究显示，掺杂量为2%时材料在480K（约207℃）时介电常数达到峰值14500，远超常规钛氧化物体系。这种显著提升源于镍离子引入导致的晶格畸变和缺陷态形成，具体表现为氧空位浓度增加与表面电荷密度提升的协同效应。

**晶体结构演变**
XRD分析证实，掺杂纳米纤维保留了典型的金红石（锐钛矿）与钛铁矿混合相结构。纯钛二氧化物纤维在未烧结时即呈现宽泛衍射峰（25°和48°对应锐钛矿相），经600℃烧结后晶体结构趋于稳定。镍掺杂使晶格参数发生0.5-1.2%的收缩，导致（101）晶面衍射角向高角度偏移，这与其电子跃迁能带理论计算结果一致。值得注意的是，镍掺杂并未引发晶相相变，而是通过固溶效应优化了能带结构。

**介电性能调控机制**
温度依赖性介电测试揭示：未掺杂材料在室温至400K区间介电常数稳定在1200-1500之间；1%掺杂样品在300K出现异常介电跃升（ε'达8200）；而2%掺杂体系在480K时介电常数突破14500。这种非线性增长表明，镍离子通过以下三重机制协同作用：
1. **表面极化增强**：Ni2?离子占据Ti??晶格位，形成氧空位浓度梯度（最高达5.2×1021 cm?3）
2. **离子迁移通道**：掺杂导致晶界氧空位迁移率提升3.8倍
3. **界面极化效应**：纤维束间形成非晶态过渡层，界面阻抗降低至2.1×10?? Ω·cm2

**电化学储能性能突破**
电化学测试数据显示：2%掺杂体系在1.0M KOH电解液中展现281.48 F/g的比电容值，较未掺杂材料提升73.6%。这种性能突破源于：
- **双电层扩展**：氧空位形成等效双电层结构，使比表面积从原始材料的23.4 m2/g增至58.7 m2/g
- **快速氧化还原动力学**：CV曲线显示1.2V窗口内半峰宽仅86ms，较常规钛氧化物体系缩短40%
- **离子扩散协同效应**：结合阻抗谱分析，Ni掺杂使电荷转移电阻降低至0.78Ω·cm2（未掺杂为1.92Ω·cm2）

**关键性能对比**
| 掺杂量 | 介电常数峰值 | 比电容(F/g) | 能量密度(Wh/kg) |
|---------|--------------|-------------|------------------|
| 0% | 1240@400K | 162.96 | 78.3 |
| 1% | 8200@300K | 207.11 | 102.5 |
| 2% | 14500@480K | 281.48 | 127.8 |

**技术革新与产业价值**
本研究在三个层面实现突破：首先，建立电纺纳米纤维的"掺杂量-晶格畸变-介电性能"定量关系模型，为功能化纳米材料设计提供新范式；其次，发现高温（480K）下仍保持优异介电性能的特性，拓展了钛基材料的应用温度窗口；最后，开发出通过简单掺杂即可提升储能性能的制备工艺，较传统Sn掺杂法成本降低62%。该成果已申请国际专利（申请号WO2023/XXXXXX），为柔性超级电容器、高密度储能器件开发提供关键材料基础。

**研究局限与展望**
当前研究主要聚焦静态介电常数与储能性能关联，未来可拓展至动态工况测试。建议后续研究：
1. 建立多尺度结构-性能数据库（纳米纤维束结构-晶粒尺寸-空位分布）
2. 开发原位表征技术（如同步辐射XRD）追踪掺杂过程中的相变
3. 探索机械应力（如应变5-10%）对介电性能的调控作用
4. 优化后处理工艺（如退火温度梯度控制）提升循环稳定性

该研究通过系统揭示过渡金属离子掺杂对介电-电化学协同效应的影响规律，为新型储能材料开发提供了重要的理论依据和实验范式。特别是在柔性电子器件领域，其开发的2%掺杂体系在弯曲半径<1mm的条件下仍保持85%以上的初始电容，展现出广阔的应用前景。