层状化合物离子交换剂存在层间离子不能被完全交换和交换所需时间长两大问题,解决这些问题的重点是需要对层间化学结构进行修饰使得更多的阳离子很容易与层间离子发生交换进入层间。层状钛酸,作为一种具有开放性结构的层状化合物,层间可修饰性强,可通过层间柱撑、剥离-自组装等手段调控层间化学结构,并进一步合成出具有特定结构或者形貌的产物。层状钛酸的层间为H⁺或者H₃O⁺,通过离子交换反应,层间离子可被外来金属阳离子交换出来,进而得到层间含有不同阳离子的层状钛酸衍生物。以这些化合物为前驱体,通过原位拓扑转变反应,可以生成多相钛酸盐衍生物,广泛应用到电化学、光催化、传感器、铁电等领域。因此,本文以层状的H_1.07Ti_1.73O₄·H₂O（HTO）为前驱体,通过双氧水处理、离子交换、拓扑相变制备出了不同种类离子交换产物（如Co-H₂O₂-HTO、Zn-H₂O₂-HTO等）、板状CoTiO₃/TiO₂纳米结构、板状NiTiO₃/TiO₂纳米结构、多孔板状TiO₂、多孔网状Zn₂Ti₃O₈纳米构筑。探索了离子交换性和电化学性能。通过对中间产物结构和形貌演变的表征,揭示了前驱体到产物的演变机理。以层状H_1.07Ti_1.73O₄·H₂O为前驱体,通过双氧水修饰得到层状过氧化H_1.07Ti_1.73O₄·H₂O（H₂O₂-HTO）。以H₂O₂-HTO为离子交换剂,分别与M²⁺（M=Co、Ni、Cu、Zn等离子）进行离子交换。HTO层间H₂O₂的引入使得更多的M²⁺进入层间,最终得到了具有高M/Ti摩尔比（Co/Ti=1.09:1.73、Ni/Ti=0.61:1.73、Cu/Ti=0.64:1.73、Zn/Ti=1.07:1.73）的离子交换产物,作为对照,HTO直接与M²⁺进行离子交换,所得离子交换产物中的M/Ti摩尔比相对较小（Co/Ti=0.18:1.73、Ni/Ti=0.08:1.73、Cu/Ti=0.24:1.73、Zn/Ti=0.51:1.73）。此外,缩短离子交换时间后,离子交换容量没有受到影响,即实现了高效离子交换。以层状H_1.07Ti_1.73O₄·H₂O为前驱体,通过双氧水修饰得到层状过氧化H_1.07Ti_1.73O₄·H₂O（H₂O₂-HTO）。并通过H₂O₂-HTO离子交换以及原位拓扑相变反应制备了板状CoTiO₃/TiO₂纳米结构、板状NiTiO₃/TiO₂纳米结构、板状CuO/TiO₂纳米结构、多孔网状Zn₂Ti₃O₈纳米构筑。通过将CuO/TiO₂原位腐蚀制备出多孔板状TiO₂。与HTO直接离子交换后拓扑相变相比,由于H₂O₂-HTO离子交换产物层间的离子含量高,因此离子交换产物拓扑相变得到的钛酸盐和二氧化钛复合物中钛酸盐含量高。相反,HTO离子交换产物中离子含量少,因此拓扑相变后,离子交换产物中主相均为TiO₂,钛酸盐相含量很少。以层状H_1.07Ti_1.73O₄·H₂O为前驱体,通过原位拓扑转变反应制备出多孔网状Zn₂Ti₃O₈板状纳米构筑。在离子交换过程中,H₂O₂的引入导致更多的Zn²⁺离子进入层间并形成具有Zn/Ti摩尔比为1.07:1.73的Zn²⁺离子交换产物。该离子交换产物在热处理后原位拓扑转变为Zn₂Ti₃O₈纳米构筑,离子交换产物中的H₂O₂分子由于热处理而分解和逸出,导致类似于海绵的多孔网络结构的形成。孔径约为10²0 nm。此外,电化学研究表明,这种多孔网络Zn₂Ti₃O₈纳米结构作为锂离子电池负极在100 mA·g^-1的电流密度下循环100圈后具有423 mAh·g^-1的可逆容量。惊奇的是,在1 A·g^-1的电流密度下循环1000圈,其可逆容量仍然为408 mAh·g^-1。