活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭提高氧化碘鉍導電性和介電特性

　　創新型金屬氧化物-碳雜化材料引起了人們的廣泛關注，并在電子、儲能設備、固態氣體傳感器、氣體和液體吸附、光催化、異相催化和太陽能電池等多個領域得到了廣泛的應用。活性炭具有多孔特性和優異的表面特性，包括孔徑、結構、表面積、化學和熱穩定性。這些因素使活性炭成為氣體分離、水處理、電極材料、超級電容器和鋰離子電池的可行候選材料。

　　基于碳的導電材料為未來的技術進步提供了新思路和可能的解決方案。這些復合材料具有理想的化學特性、高電導率、表面積和熱導率，是極佳的選擇。碳及其復合材料可用作電化學電池(電池和燃料電池)中的集電器以及電化學電極和導電油墨中的導電元件。這些復合材料廣泛應用于電子電路、可穿戴電子產品、太陽能電池和醫療診斷設備等各個領域。因此，為了改善BiOI的電性能，我們將同時制備1%活性炭(1C/BiOI)、5%活性炭(5C/BiOI)和10%活性炭(10C/BiOI)納米復合材料。所制備的材料以多種方式表征;隨后，我們將研究活性炭用量對BiOI電性能的影響，以及頻率對電導率、介電常數和介電損耗的影響。

　　透射電子顯微鏡

　　采用HRTEM分析檢查BiOI及其活性炭納米復合材料的詳細形貌，并確定其整體顆粒尺寸。圖1顯示，BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的顆粒尺寸范圍分別為(20.0–69.3nm)、(32.2–36.7nm)、(11.7–29.4nm)和(26.9–47.9nm)。這些結果表明，與未摻雜活性炭的BiOI相比，活性炭摻雜用量起到了分散劑的作用，使復合材料中的BiOI顆粒尺寸減小。這些結果表明，活性炭用量起著分子間間隔物的作用，因為在納米復合材料中獲得了大量較小的BiOI納米顆粒。此外，還研究了選區電子衍射(SEAD)，以更深入地了解制備的BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI(圖2)。球體的不透明邊緣和發光核心之間的強烈對比表明該粒子具有空心BiOI產品。SAED衍射環結果與通過XRD顯示的幾個主平面一致(圖3)。此外，BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的HRTEM圖像顯示出明確的晶格條紋，晶面間距分別分配給平面(110)、(001)、(302)和(102)(圖3)。這些結果與四方空心BiOI納米球結構一致，可以通過改變Bi、I和C比例來操縱。

　　圖1：合成的(a)BiOI、(b)1C/BiOI、(c)5C/BiOI和(d)10C/BiOI納米復合材料的TEM結果。

　　圖2：通過電子衍射HRTEM獲得的合成(a)BiOI、(b)1C/BiOI、(c)5C/BiOI和(d)10C/BiOI納米復合材料的SAED圖像。

　　圖3:合成的(a)BiOI、(b)1C/BiOI、(c)5C/BiOI和(d)10C/BiOI納米復合材料的HRTEM d間距。

　　直流電導率

　　在303至428K的溫度下，我們使用直流電(dc)和交流電(AC)檢查樣品的電氣特性。當導電活性炭顆粒放置在兩個惰性電極之間時，其整個長度都會經歷單向電荷流動，稱為直流電導率。交流方法區分了對材料整體電導率響應有貢獻的各種機制，例如晶粒傳導、晶界傳導和電極響應，而直流方法則給出樣品的整體響應。

　　交流電導率

　　溫度對交流電導率的影響圖4顯示了選定頻率下lnσ ac與1000/T的關系圖。所有樣品都顯示出電導率隨溫度上升。這并不意味著電荷濃度上升，而是可以通過電荷載體的遷移率增加來解釋。發現電導率隨溫度升高而升高，表明所有樣品都具有半導體行為。

　　圖4:溫度對BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI納米復合材料在不同頻率下交流電導率的影響。

　　交流電導率測量結果表明碳摻雜如何有助于提高電導率水平。與純BiOI樣品相比，通過將活性炭含量增加到10C/BiOI樣品的255倍，電導率值得以提高。為了保持系統中性，碳摻雜會導致氧(IV)原子取代氧(II)原子，從而產生氧缺陷。因此，摻雜濃度的升高會導致氧缺陷增加。這些原生點缺陷充當淺施主，可增強潤濕性、提高載流子密度(增強電導率)并露出額外的活性位點。產生這些中性缺陷會降低界面處晶界的高度勢壘，促進電荷載流子的流動并提高電導率。此外，人們認為碳摻雜會促進更高效的電荷傳輸系統的發展，從而提高活性炭摻雜樣品的電導率。

　　活性炭提高氧化碘鉍導電性和介電特性，采用簡便的一步法制備了BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI納米材料。評估了BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI納米復合材料的電特性。使用不同的頻率測量介電常數和交流電導率。溫度和頻率的比例以及直流和交流電導率的對應關系表明了四種合成納米材料的半導體特性，這種現象歸因于除純BiOI之外的所有樣品的跳躍機制，這表明量子力學隧穿機制取決于s值隨溫度升高而增加。與純BiOI相比，1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI納米復合材料表現出更好的交流電導率，并且隨著活性炭的增加而提高。此外，介電常數έ和介電損耗ε″隨著頻率的增加而增加，并且1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的響應高于純BiOI。阻抗分析表明，晶粒邊界在高頻傳導過程中起主要作用，特別是對于BiOI和1C/BiOI樣品。BiOI、1C/BiOI、5C/BiOI和10C/BiOI的電特性結果表明這些易于合成的納米材料可用于多種電氣應用，例如介電吸收器、電荷存儲電容器和高頻微波設備。

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