碳化钛（TiC）是一种典型的过渡金属碳化物，具有高熔点（约3160°C）、高硬度（维氏硬度约3200 HV）和优异的热导率与化学稳定性。这些特性使其在传统材料科学中广泛用于耐磨涂层和切削工具。然而，随着纳米技术的快速发展，纳米级碳化钛（nano-TiC，通常指颗粒尺寸在1-100 nm范围内的形式）展现出独特的表面效应、体积效应和高比表面积优势，推动其在多个前沿领域的应用。本文从化学专业视角探讨纳米TiC的合成、性质及其在纳米技术中的关键应用，旨在为材料研究者和工程师提供参考。
纳米碳化钛的合成与化学性质
纳米TiC的制备方法多样，主要包括化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶法、机械合金化（MA）和等离子体喷射等。其中，CVD法通过TiCl₄与CH₄在高温下反应生成TiC纳米颗粒，反应式简化为：TiCl₄ + CH₄ → TiC + 4HCl。该方法可精确控制颗粒尺寸，但需高温环境（>1000°C）。溶胶-凝胶法则更温和，利用钛烷氧化物前驱体与碳源（如柠檬酸）水解聚合后碳化，适用于室温合成，颗粒尺寸可调控至5-20 nm。
从化学性质看，纳米TiC保留了块体TiC的岩盐型晶体结构（FCC，a=0.4327 nm），但纳米尺度下其表面原子比例增加，导致更高的反应活性。例如，TiC纳米颗粒易与氧气反应形成TiO₂薄层，这在某些应用中需通过表面钝化（如SiO₂涂层）来抑制。热力学上，TiC的Gibbs自由能低（ΔG_f ≈ -183 kJ/mol），确保其在高温纳米环境中稳定性。此外，纳米TiC的电子结构显示d带电子密度高，有利于催化过程。
这些性质使纳米TiC成为纳米技术中理想的“建筑块”，其高硬度和导电性（电导率≈10⁶ S/m）特别适合功能化复合材料。
在纳米复合材料中的应用
纳米TiC最显著的应用之一是作为增强相强化聚合物、金属和陶瓷基复合材料。在纳米尺度，TiC颗粒可均匀分散，提高材料的力学性能和耐磨性。例如，在金属基复合材料（MMC）中，添加1-5 wt% nano-TiC到铝合金（如Al6061）中，可将拉伸强度提升30%以上。这得益于TiC的Orowan强化机制：纳米颗粒阻碍位错运动，同时其低密度（4.93 g/cm³）避免基体沉降。
从化学角度，TiC与基体间的界面反应至关重要。TiC表面C原子可与Al形成Al₄C₃，但通过表面修饰（如用聚乙烯醇包覆）可控制反应，优化界面结合。在航空航天领域，这种nano-TiC/Al复合材料用于轻质结构件，耐高温氧化性能优异，适用于涡轮叶片涂层。
在聚合物纳米复合物中，nano-TiC用于电导性增强，如环氧树脂中添加0.5 wt% TiC纳米颗粒，可实现导电阈值低于1 S/cm，适用于柔性电子器件。化学合成中，常采用原位聚合将TiC均匀嵌入聚合物链，提高相容性，避免团聚。
在能源存储与转换中的应用
纳米技术领域的能源应用是nano-TiC的热点之一。其高导电性和化学稳定性使其成为锂离子电池（LIB）和超级电容器电极的理想添加剂。在LIB中，nano-TiC作为碳纳米管（CNT）的桥接材料，可改善Si阳极的体积膨胀问题。研究显示，Si/nano-TiC/CNT复合电极的容量可达1500 mAh/g（循环100次后衰减<10%），远高于纯Si（≈4200 mAh/g但循环差）。
化学机制上，TiC表面提供活性位点，促进Li⁺嵌入/脱出，降低极化电压。同时，其碳化物性质抑制SEI膜过度生长。在超级电容器中，nano-TiC与石墨烯复合形成伪电容材料，比表面积高达200 m²/g，能量密度提升至50 Wh/kg。这涉及TiC的Faradaic反应：TiC + xLi⁺ + xe⁻ ↔ LiₓTiC。
此外，在燃料电池中，nano-TiC用作Pt催化剂的廉价载体。Pt/nano-TiC显示更高的氧还原反应（ORR）活性（起始电位0.95 V vs. RHE），因TiC的电子转移促进Pt分散，降低贵金属用量。该应用在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中尤为关键，推动清洁能源发展。
在催化与环境修复中的应用
纳米TiC的高表面能和d电子特性使其在异相催化中表现出色。作为非贵金属催化剂，nano-TiC用于水分解产氢：TiC纳米颗粒负载Ni可催化HER（氢进化反应），过电位仅需150 mV（10 mA/cm²），优于纯Ni。这源于TiC的Lewis酸位点增强H₂O解离。
在环境领域，nano-TiC基光催化剂用于污染物降解。例如，TiC/TiO₂异质结利用TiC的窄带隙（≈0.9 eV）与TiO₂的宽带隙（3.2 eV）形成Z-scheme结构，提高光生载流子分离效率。对罗丹明B的降解率达95%（1 h内，可见光）。化学上，TiC表面Ti-C键提供陷阱位点，抑制电子-空穴复合。
此外，在CO₂还原中，nano-TiC/Cu复合催化剂选择性生成CH₄，法拉第效率>60%，受益于TiC调控Cu表面的电子密度。
在生物医学与传感器中的应用
纳米TiC的生物相容性使其在生物纳米技术中潜力巨大。尽管块体TiC惰性，纳米形式需表面功能化（如PEG涂层）以降低毒性。研究表明，nano-TiC用于药物递送载体，可负载抗癌药多柔比星，pH响应释放率达80%，针对肿瘤微环境。
在传感器领域，nano-TiC增强的柔性应变传感器灵敏度（Gauge Factor>100）高于传统碳基材料，用于可穿戴设备。其压阻效应源于颗粒间接触电阻变化。在气体传感器中，nano-TiC/SnO₂复合检测NO₂灵敏度提升5倍，检测限<1 ppm，适用于环境监测。
化学修饰如掺杂N原子可调谐TiC的费米能级，进一步优化传感器响应。
挑战与展望
尽管前景广阔，nano-TiC应用仍面临挑战：合成中颗粒团聚需通过超声分散或表面活性剂解决；氧化敏感性要求真空或惰性氛围加工；毒性评估需更多体内实验。从化学视角，未来研究可聚焦功能化TiC（如掺杂过渡金属）以拓展应用，如量子点或纳米机器。
总之，纳米碳化钛在纳米技术中的应用正从基础材料向多功能器件演进，其独特化学性质驱动创新。预计随着合成技术的进步，nano-TiC将在可持续能源和智能材料领域发挥更大作用。