成果简介

近日，澳大利亚格里菲斯大学（Griffith University）张山青课题组连同北京大学深圳研究院（Peking University Shenzhen Graduate School）潘峰课题组在国际知名期刊Electrochemical Energy Reviews上发表题为“Defect Engineering in Titanium-based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices”的综述论文，系统的阐述了缺陷钛基氧化物在电化学储能方面的研究现状和发展方向。

文章已经上线，详情请在线阅读全文。本文也在微信(ElectrochemicalEnergyReviews)、微博(ElectrochemicalEnergyReviews)、科学网博客（EEReditor）、Facebook等新媒体平台推出，请大家多关注和阅读。更可以关注EER Springer主页（https://www.springer.com/chemistry/electrochemistry/journal/41918）和上海大学期刊社网站EER主页（http://www.eer.shu.edu.cn）获取第一手的电化学评论资讯。

文章题目：Defect Engineering in Titanium-based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices

作者： Zhong Su, Jiahua Liu, Meng Li, Yuxuan Zhu, Shangshu Qian, Mouyi Weng, Jiaxin Zheng, Yulin Zhong, Feng Pan*, Shanqing Zhang*

关键词：Defect engineering · Ti-based oxides · Optimized intrinsic properties · Electrochemical energy storage

引用信息： Su, Z., Liu, J., Li, M., Zhu, Y., Qian, S., Weng, M., Zheng, J., Zhong, Y., Pan, F., Zhang, S. Defect Engineering in Titanium-Based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices. Electrochem. Energ. Rev. (2020). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00064-5

图文摘要

本文综述了缺陷工程钛基氧化物的研究进展，包括缺陷的形成机理、制备方法、表征技术、密度泛函理论计算以及在能量转换和储存中的应用。

长按/扫描二维码阅读全文

本综述亮点

1、以结构缺陷对钛基氧化物本征属性的改善为出发点，全面系统地总结了缺陷钛基氧化物的研究现状、评述了缺陷钛基氧化物所面临的瓶颈以及未来的发展前景。

2、以钛基氧化物为例，通过对缺陷类型与制备方法的归纳，详细的阐述了缺陷的形成机制；并通过对实验表征手段和DFT理论计算研究结果的详细论述，归纳总结了缺陷对其本征属性的改性。

3、总结了当前电化学储能的研究现状，并归纳了缺陷钛基氧化物在电化学储能方面的应用以及未来的发展趋势。

前言

钛基金属氧化物由于资源丰富，无毒，价格低廉等优势已经被作为一种理想的电极材料广泛应用于电化学储能领域中。但是，低的电子和离子传导率严重限制了其在电化学储能方面的应用。而结构缺陷对钛基氧化物本征属性的改善有助于打破这一限制，比如，通过缺陷调控进而优化的电子结构以及表层的无序结构可以显著提高电子和离子传输的动力学性能。因此，通过缺陷调控的钛基氧化物在电化学储能领域中具有广泛的应用前景。通过归纳总结缺陷钛基氧化物的研究现状将有助于加深我们对缺陷形成机制的认知，并对其在电化学储能领域的实际应用具有重要的意义。

内容简介

Abstract

1     Introduction

2     Classification

2.1  Intrinsic defects

2.2  Extrinsic defects

2.3  Non-stoichiometric defects

3     Engineering of defects

3.1  Physical processes

3.1.1      High-temperature calcination  

3.1.2      High-energy ball milling

3.1.3      Microwave irradiation      

3.1.4      Doping-induced defect processes

3.2  Chemical Processes

3.2.1      Hydrogenation reduction

3.2.2      Active metal reduction    

3.2.3      Other chemical reduction 

3.2.4      Chemical oxidizing processes 

4     Characterization of defects in TiO2 and LTO

4.1  Scanning Probe Microscopy (SPM)

4.2  Incident photon-based techniques

4.2.1      X-ray Diffraction (XRD) pattern analysis

4.2.2      X-Ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopy

4.2.3      X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

4.2.4      Raman spectroscopy

4.2.5      Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy

4.2.6      Photoluminescence (PL) spectroscopy

4.2.7      Electron Paramagnetic Resonance (EPR)

4.3  Incident electron-based techniques

4.3.1      Positron Annihilation Spectroscopy (PAS)  

4.3.2      Transmission Electron Microscopy (TEM)   

4.3.3      Energy-dispersive X-ray pectroscopy (EDS)      

4.3.4      Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)      

4.3.5      Cathodoluminescence (CL) spectroscopy   

4.4  Thermal analysis and other techniques

5     Theoretical aspects of defects in TiO2 and LTO

5.1  DOS and band gap

5.2  Theoretical calculation of defective electronic structures

5.2.1      Oxygen vacancies     

5.2.2      Li-doping    

5.2.3      Doping with other cations or anions     

5.3  Li-intercalation and diffusion processes and the effects of defects

5.3.1      Li-intercalation and diffusion processes in pristine structures

5.3.2      The effects of defects on Li-intercalation and diffusion processes

6     Applications of TiO2 and LTO

6.1  Lithium-ion batteries (LIBs)

6.2  Sodium Ion Batteries (SIBs)

6.3 Other Metal Ion Batteries

6.4  Supercapacitors

7     Summary and Outlook

本文概述

本文首先介绍了钛基氧化物在电化学储能领域的研究现状，针对钛基氧化物固有的本征问题（低的电子和离子传导性），提出结构缺陷对钛基氧化物的本征属性的改善。然后以缺陷钛基氧化物为例，对比了几种不同的缺陷类型以及其相应的改善机制。同时，作者还总结归纳了近年来缺陷钛基氧化物的制备方法，其中包括各种物理的和化学的方法。接下来，作者通过介绍各种对缺陷的实验表征手段以及相应的DFT理论计算研究结果，详细论证了缺陷对钛基氧化物本征属性的改善。最后，作者详细评述了缺陷钛基氧化物在电化学储能领域中的广泛应用前景，并针对当前缺陷钛基氧化物所面临的瓶颈以及未来的发展趋势，做了总结和展望。

1.     缺陷的类型

金属氧化物中的结构缺陷包括本征缺陷（点缺陷），非本征缺陷（杂质缺陷）以及非化学计量比缺陷。本征缺陷由晶格空位组成，它们不会改变晶体结构或化学组成，但会影响空位周围的原子并引起局部晶格弛豫。非本征缺陷是指外来原子或离子被强制进入晶格以破坏固有原子排列并引起部分晶格畸变，使得局部电荷重新分布和电子结构的改变。因此，针对非本征缺陷，可以调整掺杂原子的数量来调控缺陷浓度，并优化材料的性能。非化学计量缺陷，可以改变晶体结构和化学组成，其主要存在于含有挥发性元素（例如氧化物，硫化物和氯化物）的化合物中，这些化合物深受周围环境和温度的影响。

2.     不同缺陷制备方法的总结

根据缺陷的形成机理，缺陷钛基氧化物的制备可分为物理过程和化学过程。高能活化（煅烧，球磨和微波加热）和离子掺杂是制备结构缺陷的重要物理方式，但这种纯物理的方式制备的结构缺陷通常伴随着较低的缺陷浓度，因此其对钛基氧化物本征属性的改善不明显。与物理方式相比，高价钛的还原（Ti⁴⁺Ti³⁺or Ti²⁺）和低价钛的氧化（Ti³⁺or Ti²⁺Ti⁴⁺）通常产生较高的浓度缺陷，其对钛基氧化物本征属性的改善尤为明显。

3.     缺陷钛基氧化物在电化学储能上的应用

钛基氧化物因其高能量密度、宽工作电压和长循环寿命的优势在电化学储能领域中具有广泛的应用前景。但缓慢的离子脱嵌（Li⁺, Na⁺, Mg²⁺和Al³⁺）严重限制了其在电化学储能领域的发展。结构缺陷优化的本征属性（电子重排及无序表层）可以有效改善电子和离子传输的动力学性能，使得缺陷钛基氧化物在锂，钠，镁，铝电池以及超级电容器中展现了优异的电化学性能。

总结

目前对于钛基氧化物的结构缺陷的研究仍处于发展阶段，本文作者以缺陷钛基氧化物在电化学储能应用为切入点，系统的总结和评述了当前结构缺陷的研究现状，存在的瓶颈以及未来的发展方向。

原文信息

Zhong Su, Jiahua Liu, Meng Li, Yuxuan Zhu, Shangshu Qian, Mouyi Weng, Jiaxin Zheng, Yulin Zhong, Feng Pan, Shanqing Zhang. Defect Engineering in Titanium-based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices. Electrochemical Energy Reviews 2020 (DOI: 10.1007/s41918-020-00064-5)

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Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》，简称EER)，该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域的最新科研成果和动态，促进国内、国际的学术交流，设有专题综述和一般综述栏目。EER是国际上第一本专注电化学能源的英文综述性期刊。EER覆盖化学能源转换与存储所有学科，包括燃料电池、锂电池、金属-空气电池、超级电容器、制氢-储氢、CO₂转换等。 

EER为季刊，每年3月、6月、9月以及12月出版。 

创刊号在2018年3月正式出版。

欢迎关注和投稿

期刊执行严格的同行评议，提供英文润色、图片精修、封面图片设计等服务。出版周期3个月左右，高水平论文可加快出版。欢迎关注和投稿。

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澳大利亚格里菲斯大学（Griffith University）张山青课题组EER最新综述| 电化学储能装置中钛基氧化物的缺陷工程

成果简介

近日，澳大利亚格里菲斯大学（Griffith University）张山青课题组连同北京大学深圳研究院（Peking University Shenzhen Graduate School）潘峰课题组在国际知名期刊Electrochemical Energy Reviews上发表题为“Defect Engineering in Titanium-based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices”的综述论文，系统的阐述了缺陷钛基氧化物在电化学储能方面的研究现状和发展方向。

文章已经上线，详情请在线阅读全文。本文也在微信(ElectrochemicalEnergyReviews)、微博(ElectrochemicalEnergyReviews)、科学网博客（EEReditor）、Facebook等新媒体平台推出，请大家多关注和阅读。更可以关注EER Springer主页（https://www.springer.com/chemistry/electrochemistry/journal/41918）和上海大学期刊社网站EER主页（http://www.eer.shu.edu.cn）获取第一手的电化学评论资讯。

文章题目：Defect Engineering in Titanium-based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices

作者： Zhong Su, Jiahua Liu, Meng Li, Yuxuan Zhu, Shangshu Qian, Mouyi Weng, Jiaxin Zheng, Yulin Zhong, Feng Pan*, Shanqing Zhang*

关键词：Defect engineering · Ti-based oxides · Optimized intrinsic properties · Electrochemical energy storage

引用信息： Su, Z., Liu, J., Li, M., Zhu, Y., Qian, S., Weng, M., Zheng, J., Zhong, Y., Pan, F., Zhang, S. Defect Engineering in Titanium-Based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices. Electrochem. Energ. Rev. (2020). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00064-5

图文摘要

本文综述了缺陷工程钛基氧化物的研究进展，包括缺陷的形成机理、制备方法、表征技术、密度泛函理论计算以及在能量转换和储存中的应用。

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本综述亮点

1、以结构缺陷对钛基氧化物本征属性的改善为出发点，全面系统地总结了缺陷钛基氧化物的研究现状、评述了缺陷钛基氧化物所面临的瓶颈以及未来的发展前景。

2、以钛基氧化物为例，通过对缺陷类型与制备方法的归纳，详细的阐述了缺陷的形成机制；并通过对实验表征手段和DFT理论计算研究结果的详细论述，归纳总结了缺陷对其本征属性的改性。

3、总结了当前电化学储能的研究现状，并归纳了缺陷钛基氧化物在电化学储能方面的应用以及未来的发展趋势。

前言

钛基金属氧化物由于资源丰富，无毒，价格低廉等优势已经被作为一种理想的电极材料广泛应用于电化学储能领域中。但是，低的电子和离子传导率严重限制了其在电化学储能方面的应用。而结构缺陷对钛基氧化物本征属性的改善有助于打破这一限制，比如，通过缺陷调控进而优化的电子结构以及表层的无序结构可以显著提高电子和离子传输的动力学性能。因此，通过缺陷调控的钛基氧化物在电化学储能领域中具有广泛的应用前景。通过归纳总结缺陷钛基氧化物的研究现状将有助于加深我们对缺陷形成机制的认知，并对其在电化学储能领域的实际应用具有重要的意义。

内容简介

Abstract

1     Introduction

2     Classification

2.1  Intrinsic defects

2.2  Extrinsic defects

2.3  Non-stoichiometric defects

3     Engineering of defects

3.1  Physical processes

3.1.1      High-temperature calcination  

3.1.2      High-energy ball milling

3.1.3      Microwave irradiation      

3.1.4      Doping-induced defect processes

3.2  Chemical Processes

3.2.1      Hydrogenation reduction

3.2.2      Active metal reduction    

3.2.3      Other chemical reduction 

3.2.4      Chemical oxidizing processes 

4     Characterization of defects in TiO2 and LTO

4.1  Scanning Probe Microscopy (SPM)

4.2  Incident photon-based techniques

4.2.1      X-ray Diffraction (XRD) pattern analysis

4.2.2      X-Ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopy

4.2.3      X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

4.2.4      Raman spectroscopy

4.2.5      Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy

4.2.6      Photoluminescence (PL) spectroscopy

4.2.7      Electron Paramagnetic Resonance (EPR)

4.3  Incident electron-based techniques

4.3.1      Positron Annihilation Spectroscopy (PAS)  

4.3.2      Transmission Electron Microscopy (TEM)   

4.3.3      Energy-dispersive X-ray pectroscopy (EDS)      

4.3.4      Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)      

4.3.5      Cathodoluminescence (CL) spectroscopy   

4.4  Thermal analysis and other techniques

5     Theoretical aspects of defects in TiO2 and LTO

5.1  DOS and band gap

5.2  Theoretical calculation of defective electronic structures

5.2.1      Oxygen vacancies     

5.2.2      Li-doping    

5.2.3      Doping with other cations or anions     

5.3  Li-intercalation and diffusion processes and the effects of defects

5.3.1      Li-intercalation and diffusion processes in pristine structures

5.3.2      The effects of defects on Li-intercalation and diffusion processes

6     Applications of TiO2 and LTO

6.1  Lithium-ion batteries (LIBs)

6.2  Sodium Ion Batteries (SIBs)

6.3 Other Metal Ion Batteries

6.4  Supercapacitors

7     Summary and Outlook

本文概述

本文首先介绍了钛基氧化物在电化学储能领域的研究现状，针对钛基氧化物固有的本征问题（低的电子和离子传导性），提出结构缺陷对钛基氧化物的本征属性的改善。然后以缺陷钛基氧化物为例，对比了几种不同的缺陷类型以及其相应的改善机制。同时，作者还总结归纳了近年来缺陷钛基氧化物的制备方法，其中包括各种物理的和化学的方法。接下来，作者通过介绍各种对缺陷的实验表征手段以及相应的DFT理论计算研究结果，详细论证了缺陷对钛基氧化物本征属性的改善。最后，作者详细评述了缺陷钛基氧化物在电化学储能领域中的广泛应用前景，并针对当前缺陷钛基氧化物所面临的瓶颈以及未来的发展趋势，做了总结和展望。

1.      缺陷的类型

金属氧化物中的结构缺陷包括本征缺陷（点缺陷），非本征缺陷（杂质缺陷）以及非化学计量比缺陷。本征缺陷由晶格空位组成，它们不会改变晶体结构或化学组成，但会影响空位周围的原子并引起局部晶格弛豫。非本征缺陷是指外来原子或离子被强制进入晶格以破坏固有原子排列并引起部分晶格畸变，使得局部电荷重新分布和电子结构的改变。因此，针对非本征缺陷，可以调整掺杂原子的数量来调控缺陷浓度，并优化材料的性能。非化学计量缺陷，可以改变晶体结构和化学组成，其主要存在于含有挥发性元素（例如氧化物，硫化物和氯化物）的化合物中，这些化合物深受周围环境和温度的影响。

2.      不同缺陷制备方法的总结

根据缺陷的形成机理，缺陷钛基氧化物的制备可分为物理过程和化学过程。高能活化（煅烧，球磨和微波加热）和离子掺杂是制备结构缺陷的重要物理方式，但这种纯物理的方式制备的结构缺陷通常伴随着较低的缺陷浓度，因此其对钛基氧化物本征属性的改善不明显。与物理方式相比，高价钛的还原（Ti⁴⁺Ti³⁺or Ti²⁺）和低价钛的氧化（Ti³⁺or Ti²⁺Ti⁴⁺）通常产生较高的浓度缺陷，其对钛基氧化物本征属性的改善尤为明显。

3.      缺陷钛基氧化物在电化学储能上的应用

钛基氧化物因其高能量密度、宽工作电压和长循环寿命的优势在电化学储能领域中具有广泛的应用前景。但缓慢的离子脱嵌（Li⁺, Na⁺, Mg²⁺和Al³⁺）严重限制了其在电化学储能领域的发展。结构缺陷优化的本征属性（电子重排及无序表层）可以有效改善电子和离子传输的动力学性能，使得缺陷钛基氧化物在锂，钠，镁，铝电池以及超级电容器中展现了优异的电化学性能。

总结

目前对于钛基氧化物的结构缺陷的研究仍处于发展阶段，本文作者以缺陷钛基氧化物在电化学储能应用为切入点，系统的总结和评述了当前结构缺陷的研究现状，存在的瓶颈以及未来的发展方向。

原文信息

Zhong Su, Jiahua Liu, Meng Li, Yuxuan Zhu, Shangshu Qian, Mouyi Weng, Jiaxin Zheng, Yulin Zhong, Feng Pan, Shanqing Zhang. Defect Engineering in Titanium-based Oxides for Electrochemical Energy Storage Devices. Electrochemical Energy Reviews 2020 (DOI: 10.1007/s41918-020-00064-5)

关于我们

Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》，简称EER)，该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域的最新科研成果和动态，促进国内、国际的学术交流，设有专题综述和一般综述栏目。EER是国际上第一本专注电化学能源的英文综述性期刊。EER覆盖化学能源转换与存储所有学科，包括燃料电池、锂电池、金属-空气电池、超级电容器、制氢-储氢、CO₂转换等。 

EER为季刊，每年3月、6月、9月以及12月出版。 

创刊号在2018年3月正式出版。

欢迎关注和投稿

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