活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭提高氧化碘铋导电性和介电特性

　　创新型金属氧化物-碳杂化材料引起了人们的广泛关注，并在电子、储能设备、固态气体传感器、气体和液体吸附、光催化、异相催化和太阳能电池等多个领域得到了广泛的应用。活性炭具有多孔特性和优异的表面特性，包括孔径、结构、表面积、化学和热稳定性。这些因素使活性炭成为气体分离、水处理、电极材料、超级电容器和锂离子电池的可行候选材料。

　　基于碳的导电材料为未来的技术进步提供了新思路和可能的解决方案。这些复合材料具有理想的化学特性、高电导率、表面积和热导率，是极佳的选择。碳及其复合材料可用作电化学电池(电池和燃料电池)中的集电器以及电化学电极和导电油墨中的导电元件。这些复合材料广泛应用于电子电路、可穿戴电子产品、太阳能电池和医疗诊断设备等各个领域。因此，为了改善BiOI的电性能，我们将同时制备1%活性炭(1C/BiOI)、5%活性炭(5C/BiOI)和10%活性炭(10C/BiOI)纳米复合材料。所制备的材料以多种方式表征;随后，我们将研究活性炭用量对BiOI电性能的影响，以及频率对电导率、介电常数和介电损耗的影响。

　　透射电子显微镜

　　采用HRTEM分析检查BiOI及其活性炭纳米复合材料的详细形貌，并确定其整体颗粒尺寸。图1显示，BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的颗粒尺寸范围分别为(20.0–69.3nm)、(32.2–36.7nm)、(11.7–29.4nm)和(26.9–47.9nm)。这些结果表明，与未掺杂活性炭的BiOI相比，活性炭掺杂用量起到了分散剂的作用，使复合材料中的BiOI颗粒尺寸减小。这些结果表明，活性炭用量起着分子间间隔物的作用，因为在纳米复合材料中获得了大量较小的BiOI纳米颗粒。此外，还研究了选区电子衍射(SEAD)，以更深入地了解制备的BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI(图2)。球体的不透明边缘和发光核心之间的强烈对比表明该粒子具有空心BiOI产品。SAED衍射环结果与通过XRD显示的几个主平面一致(图3)。此外，BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的HRTEM图像显示出明确的晶格条纹，晶面间距分别分配给平面(110)、(001)、(302)和(102)(图3)。这些结果与四方空心BiOI纳米球结构一致，可以通过改变Bi、I和C比例来操纵。

　　图1：合成的(a)BiOI、(b)1C/BiOI、(c)5C/BiOI和(d)10C/BiOI纳米复合材料的TEM结果。

　　图2：通过电子衍射HRTEM获得的合成(a)BiOI、(b)1C/BiOI、(c)5C/BiOI和(d)10C/BiOI纳米复合材料的SAED图像。

　　图3:合成的(a)BiOI、(b)1C/BiOI、(c)5C/BiOI和(d)10C/BiOI纳米复合材料的HRTEM d间距。

　　直流电导率

　　在303至428K的温度下，我们使用直流电(dc)和交流电(AC)检查样品的电气特性。当导电活性炭颗粒放置在两个惰性电极之间时，其整个长度都会经历单向电荷流动，称为直流电导率。交流方法区分了对材料整体电导率响应有贡献的各种机制，例如晶粒传导、晶界传导和电极响应，而直流方法则给出样品的整体响应。

　　交流电导率

　　温度对交流电导率的影响图4显示了选定频率下lnσ ac与1000/T的关系图。所有样品都显示出电导率随温度上升。这并不意味着电荷浓度上升，而是可以通过电荷载体的迁移率增加来解释。发现电导率随温度升高而升高，表明所有样品都具有半导体行为。

　　图4:温度对BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI纳米复合材料在不同频率下交流电导率的影响。

　　交流电导率测量结果表明碳掺杂如何有助于提高电导率水平。与纯BiOI样品相比，通过将活性炭含量增加到10C/BiOI样品的255倍，电导率值得以提高。为了保持系统中性，碳掺杂会导致氧(IV)原子取代氧(II)原子，从而产生氧缺陷。因此，掺杂浓度的升高会导致氧缺陷增加。这些原生点缺陷充当浅施主，可增强润湿性、提高载流子密度(增强电导率)并露出额外的活性位点。产生这些中性缺陷会降低界面处晶界的高度势垒，促进电荷载流子的流动并提高电导率。此外，人们认为碳掺杂会促进更高效的电荷传输系统的发展，从而提高活性炭掺杂样品的电导率。

　　活性炭提高氧化碘铋导电性和介电特性，采用简便的一步法制备了BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI纳米材料。评估了BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI纳米复合材料的电特性。使用不同的频率测量介电常数和交流电导率。温度和频率的比例以及直流和交流电导率的对应关系表明了四种合成纳米材料的半导体特性，这种现象归因于除纯BiOI之外的所有样品的跳跃机制，这表明量子力学隧穿机制取决于s值随温度升高而增加。与纯BiOI相比，1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI纳米复合材料表现出更好的交流电导率，并且随着活性炭的增加而提高。此外，介电常数έ和介电损耗ε″随着频率的增加而增加，并且1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的响应高于纯BiOI。阻抗分析表明，晶粒边界在高频传导过程中起主要作用，特别是对于BiOI和1C/BiOI样品。BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的电特性结果表明这些易于合成的纳米材料可用于多种电气应用，例如介电吸收器、电荷存储电容器和高频微波设备。

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