DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.10.149

采用低成本的静电纺丝技术和水热法制备了TiO2纳米粒子修饰氮（N）掺杂螺旋碳纳米纤维（CNF）-碳纳米管（CNT）杂化材料。形态学研究建立了CNFs的螺旋结构，CNTs在CNFs周围分层生长。杂化材料具有纳米孔结构，其比表面积高达295.17 m2 g-1。X射线光电子能谱研究在TiO2纳米粒子与碳结构之间建立了Ti-O-C/Ti-C键介导的电荷转移通道，并成功地在CNFs中掺入了N。电纺杂化材料在75 mA g-1和186 mA g-1的电流密度下分别具有316 mAh g-1（第100个循环）和244 mAh g-1（第100个循环）的高可逆充电容量。在不同电流密度下获得的充电容量高于常规的石墨微孔微珠负极。结果表明，在锂离子电池中，本研究所制备的杂化材料比石墨具有更高的性能。

图1.（a）CNF，Ni-CNF，CNF-CNT，N-CNF-CNT，TiO2和N-CNF-CNT/TiO2杂化物的XRD图谱（插图显示了N-CNF-CNT/TiO2杂化物在30°至80°范围内的XRD图谱）（TiO2使用JCPDS卡＃00-001-0562，碳使用JCPDS卡01-075-1621）。（b）和（c）CNF，Ni-CNF，CNF-CNT，N-CNF-CNT，TiO2和N-CNF-CNT/TiO2杂化物的拉曼光谱。（d）N-CNF-CNT和N-CNF-CNT/TiO2在惰性气氛中的热重分析曲线，N-CNF-CNT/TiO2在空气中的热重分析曲线（插图）。

图2.（a）CNFs，（b）和（c）CNF-CNT，（d）和（e）N-CNF-CNT，（f）TiO2纳米粒子，（g）和（h）N-CNF-CNT/TiO2杂化材料的FESEM图像。

图3.（a）N-CNF-CNT杂化材料的透射电子显微镜图像以及HR-TEM（＆）和SAED（＃）。（b）相应的高角度环形暗场（HAADF）图像；（c）同时元素映射分析；（d）碳（红色）和（e）氮（黄色）。（f）电纺N-CNF-CNT/TiO2复合材料的明场TEM图像和暗场图像（＆）；（g）确认螺旋形貌中含CNTs和TiO2粒子，在SAED（＃）中显示出环形和明亮的衍射点；（h）在高放大倍率下，确认锐钛矿型TiO2嵌入N-CNF-CNT材料中并在SAED图谱（＃）中观察到清晰的明亮衍射点；（i）与图像（h）相对应的杂化材料的HR-TEM图像。（要解释该图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）

图4.（a）螺旋N-CNF-CNT/TiO2杂化体的HAADF图像。（b）同时进行TEM元素映射分析；（c）碳（红色）；（d）氮（黄色）；（e）钛（绿色）和（f）氧（青色）。（要解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）

图5.（a）CNF和（b）N-CNF-CNT/TiO2杂化物的N2吸附解吸等温线和孔径分布（插图）。

图6.N-CNF-CNT/TiO2的XPS图像：（a）去卷积C 1s，（b）去卷积N 1s，（c）去卷积O 1s和（d）去卷积Ti 2p。

图7.通过EIS、CV和放电-充电研究进行电化学表征：（a）N-CNF-CNT（红色）和N-CNF-CNT/TiO2复合材料（蓝色）的EIS奈奎斯特图。（b）N-CNF-CNT和（c）N-CNF-CNT/TiO2复合材料在电压为0.1-2.5V，扫描速率为0.2 mV s-1的条件下进行1-5个循环的CV曲线。恒电流放电-充电研究（d）N-CNF-CNT材料在75 mA g-1下的电压与容量曲线；N-CNF-CNT/TiO2复合材料在（e）75 mA g-1，（f）186 mA g-1下的电压与容量曲线；（g）N-CNF-CNT和N-CNF-CNT/TiO2复合材料在电压范围为0.01-2.5V，电流密度为75和186 mA g-1下进行1-100个循环的容量与循环次数曲线。（要解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）

图8.与商用MCMB负极进行比较的倍率性能研究：（a）N-CNF-CNT和（b）N-CNF-CNT/TiO2复合材料的电压与容量曲线。以及（c）CNF，CNT，CNF-CNT，N-CNF-CNT和N-CNF-CNT/TiO2复合材料的容量与循环次数关系的比较。商用MCMB负极（d）电压与容量的关系；（e）在大于372 mA g-1的条件下，与N-CNF-CNT/TiO2复合材料的电压-容量曲线比较；以及（f）在不同电流密度下，MCMB和N-CNF-CNT/TiO2复合材料的容量与循环次数关系的比较。