活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭掺杂二氧化钛的介电研究，本文介绍了活性炭掺杂TiO 2在不同摩尔比的压丸中的介电响应研究,通过将样品置于氮气和氦气气氛中并在50Hz至5MHz的频率间隔和从室温至723K的复阻抗谱中进行研究来获得复合材料的电性能。

　　二氧化钛由于其物理化学性质而被广泛研究，使其成为各种应用的合适材料(。它是一种光敏半导体，吸收近紫外区域的电磁辐射，化学性质非常稳定。由于上述特点，它是最常用的光催化剂，目前它被用作水净化过程中有机分子的降解。它也用作分散性能的白色颜料，防腐涂料，气体传感器，一般在陶瓷工业中使用。该化合物具有金红石(四方结构)，锐钛矿(八面体结构)，板钛矿(斜方晶系结构)三种结晶相，根据静电价原理的要求，每个氧原子由三个八面体共享。对于二氧化钛掺杂活性炭来说，已经证明活性炭适合作为外部原子，其中掺入具有3.2eV(纯锐钛矿)的带隙至2.32eV(碳掺杂相)的降低的带隙，其中激发所需的波长已经增加至535纳米。因此，与活性炭混合的二氧化钛比纯二氧化钛具有显着更高的有效性。由于这种报导的活性炭对TiO 2的影响基体，也有望影响材料的介电性能，因此，本文研究了碳杂质对氧化钛电性能的影响，为此实现了这种复合材料的电性能使用复阻抗谱技术从商业粉末和不同摩尔分数的活性炭获得的压制丸粒的形式。

　　实验程序

　　为了制备与活性炭样品混合的TiO 2，使用TiO 2纯度为99.5%的锐钛矿相，粒径为21nm的活性炭粉。还已经计算了使用化学计量计算获得X = 0.09,0.04,0.03和0.02的摩尔分数所需的各自的量。在此过程之后，将前体通过手工在玛瑙研钵中浸软约三小时，直到获得均匀性。将获得的化合物在室温下压制成液压机中的丸剂形式。复合材料的红外光谱在分光计FTIR标记Shimadzu Prestige 21上用含有样品和KBr作为粘合剂的透明片剂(90重量%)进行，存在官能团的定性测定使用多次16次扫描和分辨率为4厘米-1。高温下复杂电阻抗的测量是在一个适合于管式三区炉Carbolite TZF的测量池中进行的，该炉可以达到高达1473K的温度。对于电阻抗的数据采集使用HIOKY 3532-50 LCR HITESTER设备，频率范围在40Hz至5MHz之间，施加的电压信号为0.5V。将样品放置在金的两个圆形平面电极之间的测量单元中。在50K的间隔下，在两个不同的气氛氮气和氦气中，以恒定的流量和0.2psi的压力，在323K至723K之间进行测量。最后，通过理论建模软件Zview2中的等效电路和使用电场KWW的衰减函数来获得对实验曲线的调整。

　　红外光谱的表征

　　图1示出了TiO 2的样品的红外光谱在活性炭的不同摩尔分数。对于浸软的手动获得的化合物，谱图显示在3440cm -1处的谱带，这与H-OH振动模式应力相关联，并且透射率或红外吸收碳随着浓度的降低而增加。由于活性炭的存在，在2908cm -1处发现了由于芳香族基团的CH键而形成的谱带，观察到该谱带通过降低碳含量而急剧下降。1630cm -1处的带对应于水弯曲模式。具体看1000到400厘米-1宽带被定义为活性碳含量增加。该区域的特征谱带位于680 cm -1处，可与官能团Ti-O-Ti和官能团Ti-O的振动模式相关联。通常，在图1中观察到强度随着活性炭含量的降低而增加，这表明在低的碳摩尔分数下各种结合的形成更强。

　　表1化学计量学与活性炭摩尔分数混合的TiO2的等效电路的参数值，在313K的温度下获得。

　　复杂的电阻抗表征

　　图2显示了奈奎斯特曲线，对于复合体系TiO 2的阻抗行为，Z“对Z' ，化学计量地与活性炭摩尔分数X = 0.09,0.03和TiO 2混合，未掺杂到313K的温度在大气压下并且没有惰性气体。在此温度下，典型的阻抗谱由一个围绕频率范围的非理想的半圆组成，由于样品的体积响应，其中心在实轴上位移，并且没有显示界面电极/电解质上的双层电容效应，其特征在于低频时的线性响应。观察到的非理想半圆使用图2右侧所示的等效电路(连续曲线)建模。该电路由电阻R，电容C和恒定相元件(CPE)并联组成。一旦获得该复合材料的电阻，能够使用σ来获得样品的电导率-DC的值0 = d / RA方程，其中A和d分别是面积和样品的厚度。表1给出了由所提出的等效电路获得的设定参数的值。对于获得的复合材料来说，电阻值随着活性炭含量从4.40E +08Ω增加到TiO 2，对于最高碳浓度X = 0.09，为1.69E +07Ω。发现电容器的值为皮法，并且发现活性炭的浓度没有可观的变化。恒定相元素参数的P值反映了弛豫时间的分布，这与材料晶格中载流子的相关现象有关。

　　结论

　　在所获得的钛氧化物的基体中加入活性炭不会在TiO 2的振动模式中产生显着的变化。所提出的等效电路参数的数值表明，在氮气氛下样品随着温度的升高呈现出较高的电阻值，与在氦气氛下样品呈现的过程相反，这意味着TiO 2与活性炭混合，可用作气体传感器。同时，KWW模型的β指数值表明，样品在氮气气氛下，诱导偶极子的弛豫过程不利于温度的升高。所研究的复合材料的介电响应的结果表明氮产生阴离子掺杂，其中氮的阴离子(A)进入TiO 2网络中以取代氧并形成TiO 2-x Ax。

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