碳氧化钛是一种金属间隙化合物,具有良好的电导性和化学稳定性。目前,有关碳氧化钛的研究主要集中在其晶体结构、热力学性质等方面,目的是为了改善可溶阳极钛电解工艺技术。碳氧化钛作为能量转换和存储系统的功能材料应用报道较少。近年来,在材料中有目的性地构建缺陷成为性能优化的一种新策略,与设计复杂形貌结构的“外在”方法相比,基于缺陷工程的“内在”方法,主要是调整材料内局部原子的结构和配位环境,达到改善宏观性能的目的。常见的缺陷类型有阴离子空位、阳离子空位、以及其他晶格缺陷（晶格位错、孪晶等）。至今,阴离子空位（如氧空位等）对材料性能影响的研究已经有很多,但关于阳离子空位的研究相对较少,尤其是关于碳氧化钛中阳离子钛位点原子缺陷的研究。本文中,通过TiC和TiO2反应制备了一种具有钛空位原子缺陷的碳氧化钛,着重探讨了钛空位的形成机理。碳氧化钛中的钛空位,不仅影响周围原子的排列方式,而且影响电子的迁移。因此,基于第一原理计算,探究钛空位对碳氧化钛晶体结构及电子状态的影响,并结合实际测量分析碳氧化钛的电热输运机制。此外,钛位点的原子缺陷,可为其他金属离子提供潜在的嵌入点,进一步明晰含钛空位碳氧化钛作为锂离子电池电极材料的电化学性能。主要结论如下:（1）TiC和TiO2在1173 K下的反应可分为固溶和常规还原反应两部分,产物分别为含有钛空位碳氧化钛（Ti1-vCxO1-x,x代表TiC浓度,y代表钛空位浓度）和Magnéli相（TinO2n-1,4≤n≤9）,其中,Ti1-yCxO1-x是TiO2中的（VTiO6）伪八面体溶入到面心立方结构TiC形成的。根据碳氧化钛（TiCxO1-x）的热力学数据,分析了两种产物的平衡关系,结果表明,高TiC浓度的TiCxO1-x展现出较强的还原性,能够还原TinO2n-1,而TiC浓度较低（x＜0.65）时,TiCxO1-x则与TinO2n-1平衡共存。由于钛空位的影响,实际获得产物Ti1-yCxO1-x中的x不小于0.6,且其晶格常数与x无关,反而与初始原料TiC（0.4327 nm）处于同水平,高于常规相同碳氧浓度的TiCxO1-x。在1173 K下,固溶反应产物Ti1-yCxO1-x中的钛空位浓度最高为18at.%,接近理论分析浓度18.9at.%。分子动力学分析表明,过高的钛空位浓度降低了碳氧化钛结构稳定性,从而引起不可逆相变。（2）基于第一性原理计算,钛位点原子缺陷的构建减少了碳氧化钛中跨越费米能级的态密度,有助于载流子浓度降低;同时降低了导带底状态密度的有效质量,有助于电子迁移率的提高。热电性能测试及形貌表征结果表明,钛空位改变了局部区域原子排列,在面心立方结构中形成了缺陷区,缺陷区与正常区域之间形成半相干界面,同时优化了载流子浓度（n）和迁移率（μ）,此外削弱了第二相TinO2n-1对电子迁移率的损害。在373 K下,钛空位的引入,使n从 TiC0.5O0.5 的 1.71 × 1021 cm-3 降低到 Ti0.86C0.63O0.37 的 5.3× 1020 cm-3,μ从 TiC0.5O0.5 的 1.65 cm-2.V-1.s-2增加到 Ti0.86C0.63O0.37 的 4.22 cm-2·V-1·s-2。因此,在维持碳氧化钛高电导率的基础上改善了 Seebeck系数,在 1073 K 下,从 TiC0.5O0.5 的-11 cm-2.V-1.s-2 改善到 Ti0.86C063O0.37 的-64 cm-2·V-1·s-2,提高了碳氧化钛的电输运性能,功率因数从TiC0.5O0.5的6.7μW·m-1·K-2增加到Ti0.86C0.63O0.37的211 μW·m-1·K-2。此外,在热传导性质方面,钛空位提高了碳氧化钛在低温下的热导率,在373 K下从TiC0.5O05的 5.43 W·m-1·K-1 增长到 Ti0.86C0.63O0.37 的 8.22 W·m-1·K-1,随着温度升高二者热导率差异减小。最终,在1073 K下Ti0.86C0.63O0.37的热电优值（ZT）为2.11 × 10-2。在测试温度范围内,Ti0.86C0.63O0.37的ZT值较常规TiC0.5O0.5提升了至少5个数量级以上。（3）探究了含钛空位碳氧化钛作为锂离子电池电极材料的电化学性能及反应机理。电子顺磁共振谱分析显示,Li+的嵌入造成了 Ti0.88C0.63O0.37中钛空位浓度降低,表明钛空位允许Li+嵌入。Ti0.88C0.63O0.37在电流密度为0.05 A·g-1下,首次Li+脱出过程的比容量达到198 mAh·g-1,较常规TiC0.63O0.37电极高70 mAh·g-1,与理论上12at.%的钛空位提供的额外储锂容量57.8 mAh·g-1接近,表明钛空位的引入改善了碳氧化钛电化学性能。随后结合非原位X射线衍射分析了 Ti0.88C0.63O0.37的储锂机制,结果表明在Li+嵌入脱出过程中材料发生固溶结构变化,所有的电荷转移发生在空位处,Ti元素价态在反应过程中变化很小。同时,持续的Li+插入诱导了面心立方结构（011）晶面衍射强度增加,该晶面存在大量的缺陷。该现象表明可供Li+嵌入的宿点增多,Ti0.88C0.63O0.37的储锂性能增强,在电流密度为0.5 A·g-1下,循环1100圈后比容量从120 mAh·g-1增长到325 mAh·g-1。