TiO2具有附著力強、白度高、無毒無害和物化性質穩定等優點，是一種效能最好的白色顏料，常用作塑膠、橡膠和纖維等高分子製品表面塗料。由於其導電性較差，易因摩擦、碰撞引起靜電積累導致火災、爆炸等靜電危害。因此，需在保持TiO2優點的基礎上，提高TiO2的導電效能。而製備導電TiO2最常用的銻摻雜二氧化錫(ATO)包覆法，其製備條件要求苛刻、導電性較低，且反應過程會產生大量廢酸鹼，汙染環境。隨著高新技術發展，TiO2導電材料的應用範圍不斷拓展，市場需求量逐年增長，迫切需要探究新的導電TiO2製備方法。

近日，有團隊透過致力於調控TiO2的形貌為紡錘體狀，進一步增加TiO2與G間介面接觸面，並將Ca2+摻雜到TiO2中，提高載流子濃度，增強TiO2基塗料的導電效能。測定其電阻率減小了10倍，電阻率的降低歸因於載流子濃度的增加及介面快速遷移。同時，Mott-Schottky圖和DOS圖驗證了載流子密度的增加。此外，能帶結構和Tauc曲線證明帶隙和和電子有效質量減小，可以加速介面電荷轉移。並且， TEM圖表示Ca2+-T為具有更優異的電荷運輸和連通性的紡錘體狀，增大TiO2與G的接觸面，增強TiO2與G間電子傳輸能力。

圖一、促進介面電荷轉移速度

透過水熱法制備紡錘體狀TiO2，增加與G介面接觸面積，減小帶隙和提高載流子濃度，從而提高電導率。

圖二、Ca2+-T/G的紡錘體形貌

(a-d) T/G的TEM圖；

(e-h) Ca2+-T/G的TEM圖；

(i) Ca2+-T/G的EDS元素對映影象；

(j) 2%Ca2+-T、5%Ca2+-T和7%Ca2+-T TiO2的(004)和(200)放大衍射峰；

(k) I(004)/I(200)的強度比和(004)峰的FWHM變化隨Ca2+含量的變化。

圖三、Ca2+-T/G的結構特徵

(a) TiO2、Ca2+-T、G、T/G和Ca2+-T/G的XRD圖；

(b) TiO2、Ca2+-T、T/G和Ca2+-T/G的拉曼光譜；

(c) TiO2和Ca2+-T的Ti 2p XPS圖；

(d) TiO2和Ca2+-T的O 1s XPS圖；

(e) TiO2、2%Ca2+-T、5%Ca2+-T和7%Ca2+-T的(101)XRD放大衍射峰；

(f) TiO2和Ca2+-T的結構模型。

圖四、T和Ca2+-T的電子結構

(a) TiO2和Ca2+-T的Mott-Schottky圖；

(b) TiO2和(c) Ca2+-T的態密度；

(d) TiO2和(e) Ca2+-T的能帶結構；

(f) TiO2與Ca2+-T的Tauc圖；

(g) TiO2和(h) Ca2+-T的幾何結構，紅色的原子是O，淺灰色的原子是Ti，綠色的原子是Ca。

圖五、T/G和Ca2+-T/G的電子結構

(a) T/G和(b) Ca2+-T/G的幾何結構, 紅色的原子是O, 淺灰色的原子是Ti, 綠色的原子是Ca, 深灰色的原子是C；

(c) T/G和(d) Ca2+-T/G的態密度；

(e) T/G和(f) Ca2+-T/G的電荷密度差。

綜上所述，本研究表明以CaCl2為摻雜源，透過水熱法制備了Ca2+-T/G複合材料。為了提高電導率，將Ca2+摻雜到TiO2中，合成紡錘體狀Ca2+-T奈米顆粒。最終合成的2%Ca2+-T/G複合材料的電阻率最低(0.004Ω cm)，遠低於未摻雜樣品(0.046Ω cm)。實驗和計算模擬結果表明：Ca2+-T/G複合材料的電阻率下降可能是由於Ca2+摻雜導致的載流子濃度增加、介面電荷轉移加快和紡錘形的協同作用。因此，與未摻雜樣品相比，電導率可以進一步提高。從而為提高T/G複合材料的導電性提供了新的思路，具有優異導電性的Ca2+-T/G複合材料可以在未來的導電塗料領域得到充分的應用。