近日，意昂俞建勇院士及丁彬研究員帶領的納米纖維研究團隊在過渡金屬氧化物納米纖維表界面缺陷調控研究領域取得重要進展，相關成果以《常溫下氧化物陶瓷纖維從不導電到導電的轉變》(Transformation of Oxide Ceramic Textiles from Insulation to Conduction at Room Temperature)為題➿，於2020年2月7日在線發表於國際著名期刊《Science Advances》，該論文第一作者為閆建華研究員🧑🏭，通訊作者為丁彬研究員，意昂官网系該論文唯一單位。
納米纖維因其豐富的微結構😢、優異的性能和廣闊的應用前景🏠，一直是納米材料領域的研究熱點。其中過渡金屬氧化物陶瓷納米纖維，不僅具有陶瓷纖維的低橫向熱導率、高各向異性、耐高溫、耐腐蝕和高模量等特征，而且具有過渡金屬氧化物的多變價態和優異的電學性能,可應用於高技術電子和能源存儲領域。然而🤐，過渡金屬氧化物陶瓷納米纖維普遍具有較大的脆性和表界面惰性，限製了其實際應用。如何增強其柔性和功能化表面活性是亟待解決的關鍵問題，也是納米科學研究的一個新熱點。針對這些問題，研究團隊建立了柔性過渡金屬氧化物陶瓷納米纖維的通用靜電紡製備方法🤬，並提出了一種常溫多米諾-級聯還原策略，在1分鐘內實現了氧化物纖維膜從絕緣到導電的快速轉變。由於氧化物陶瓷纖維抗高溫蠕變性能較差, 應用傳統的高溫還原方法調控其表界面缺陷會使纖維發生蠕變斷裂。該研究開發的室溫還原方法可以維持陶瓷晶粒及晶界的完整性🏋️♀️，並降低了能耗和時間成本♛。除此之外💇🏽♟，此方法具有通用性✦，可用來製備導電Li0.33La0.56TiO3, BaTiO3, SnO2 等纖維薄膜。因此，該技術在製備導電氧化物薄膜方面具有巨大潛力🧗♀️，在可穿戴電子產品和柔性能源領域具有廣泛的工程應用價值。
圖1📙：室溫“多米諾-級聯”還原TiO2織物機理
圖一展示了室溫下多米諾-級聯還原機理。金屬鋰由於具有強還原性🧒🏻，在室溫下可以通過接觸腐蝕方式還原多種金屬氧化物𓀌♑️。在施加外力的情況下🚉，將由二甲基乙酰胺(DMAc)浸潤的柔性TiO2纖維膜覆蓋在金屬鋰（Li）板上，自驅動的化學反應在TiO2纖維膜表面誘導產生缺陷♨️，並引發界面的絕緣至導電相變，從而觸發從界面到整個纖維膜的快速多米諾級聯還原。在1分鐘內，TiO2纖維膜顏色迅速由白變藍再變黑，電導率從0迅速提升到40 S/m，用作導線🦏，在電源驅動下可以點亮燈泡。研究發現，納米纖維膜與金屬鋰的接觸面積，DMAc溶劑添加量💁🏻♀️，及纖維膜的孔隙結構等是影響快速還原反應的關鍵👩🏽⚕️。納米纖維膜與金屬鋰的接觸面積越大，還原時間就會越短🔨。即使當納米纖維膜與金屬鋰只有部分接觸時，由於虹吸效應，纖維膜也能夠快速被還原👩🏿🎨。這是由於接觸腐蝕會在界面產生大量的鋰離子或納米鋰顆粒，在金屬鋰和纖維膜之間形成的微電場和虹吸效應使它們從界面迅速轉移到整個纖維膜中🧚🏽；同時▪️，導電界面層作為電橋，連續地將電子傳遞到相鄰的絕緣TiO2層🐞，從而在TiO2中產生氧空位🪧。這些被轉移的鋰離子或納米鋰顆粒與被剝奪的氧原子反應而進一步的還原TiO2🕥。這種電子的平滑流動和鋰的擴散導致了纖維膜從絕緣到導電的逐層轉變。此常溫還原方法能夠在不破壞纖維形貌結構和力學性能的情況下📻⚉，引入表面缺陷，提高金屬氧化物纖維的電子電導率。為闡明還原前後TiO2的缺陷💂🏿♀️，文章采用TEM，XRD、XPS和拉曼等進行表征，發現還原後的TiO2中氧空位缺陷和Ti3+的存在是電導率迅速提升的關鍵點，通過氧空位調控，能改善TiO2電子結構，提高電導率。
該研究成果得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、國防科工局雙百工藝攻關項目、上海市教委重大自然科學項目、中國科協青年托舉人才項目的大力資助。（論文DOI：10.1126/sciadv.aay8538）
