活性炭提高氧化碘鉍導(dǎo)電性和介電特性

　　創(chuàng)新型金屬氧化物-碳雜化材料引起了人們的廣泛關(guān)注，并在電子、儲能設(shè)備、固態(tài)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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。活性炭具有多孔特性和優(yōu)異的表面特性，包括孔徑、結(jié)構(gòu)、表面積、化學(xué)和熱穩(wěn)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(dǎo)電材料為未來的技術(shù)進(jìn)步提供了新思路和可能的解決方案。這些復(fù)合材料具有理想的化學(xué)特性、高電導(dǎo)率、表面積和熱導(dǎo)率，是極佳的選擇。碳及其復(fù)合材料可用作電化學(xué)電池(電池和燃料電池)中的集電器以及電化學(xué)電極和導(dǎo)電油墨中的導(dǎo)電元件。這些復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于電子電路、可穿戴電子產(chǎn)品、太陽能電池和醫(yī)療診斷設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。因此，為了改善BiOI的電性能，我們將同時(shí)制備1%活性炭(1C/BiOI)、5%活性炭(5C/BiOI)和10%活性炭(10C/BiOI)納米復(fù)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(dǎo)率、介電常數(shù)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(fù)合材料的詳細(xì)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(jié)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(fù)合材料中的BiOI顆粒尺寸減小。這些結(jié)果表明，活性炭用量起著分子間間隔物的作用，因?yàn)樵诩{米復(fù)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(qū)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(fā)光核心之間的強(qiáng)烈對比表明該粒子具有空心BiOI產(chǎn)品。SAED衍射環(huán)結(jié)果與通過XRD顯示的幾個(gè)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(jié)果與四方空心BiOI納米球結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的TEM結(jié)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(fù)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(fù)合材料的HRTEM d間距。

　　直流電導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)電活性炭顆粒放置在兩個(gè)惰性電極之間時(shí)，其整個(gè)長度都會經(jīng)歷單向電荷流動，稱為直流電導(dǎo)率。交流方法區(qū)分了對材料整體電導(dǎo)率響應(yīng)有貢獻(xiàn)的各種機(jī)制，例如晶粒傳導(dǎo)、晶界傳導(dǎo)和電極響應(yīng)，而直流方法則給出樣品的整體響應(yīng)。

　　交流電導(dǎo)率

　　溫度對交流電導(dǎo)率的影響圖4顯示了選定頻率下lnσ ac與1000/T的關(guān)系圖。所有樣品都顯示出電導(dǎo)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(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率隨溫度升高而升高，表明所有樣品都具有半導(dǎo)體行為。

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

　　交流電導(dǎo)率測量結(jié)果表明碳摻雜如何有助于提高電導(dǎo)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(dǎo)率值得以提高。為了保持系統(tǒng)中性，碳摻雜會導(dǎo)致氧(IV)原子取代氧(II)原子，從而產(chǎn)生氧缺陷。因此，摻雜濃度的升高會導(dǎo)致氧缺陷增加。這些原生點(diǎn)缺陷充當(dāng)淺施主，可增強(qiáng)潤濕性、提高載流子密度(增強(qiáng)電導(dǎo)率)并露出額外的活性位點(diǎn)。產(chǎn)生這些中性缺陷會降低界面處晶界的高度勢壘，促進(jìn)電荷載流子的流動并提高電導(dǎo)率。此外，人們認(rèn)為碳摻雜會促進(jìn)更高效的電荷傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，從而提高活性炭摻雜樣品的電導(dǎo)率。

　　活性炭提高氧化碘鉍導(dǎo)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(fù)合材料的電特性。使用不同的頻率測量介電常數(shù)和交流電導(dǎo)率。溫度和頻率的比例以及直流和交流電導(dǎo)率的對應(yīng)關(guān)系表明了四種合成納米材料的半導(dǎo)體特性，這種現(xiàn)象歸因于除純BiOI之外的所有樣品的跳躍機(jī)制，這表明量子力學(xué)隧穿機(jī)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(fù)合材料表現(xiàn)出更好的交流電導(dǎo)率，并且隨著活性炭的增加而提高。此外，介電常數(shù)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(yīng)高于純BiOI。阻抗分析表明，晶粒邊界在高頻傳導(dǎo)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(jié)果表明這些易于合成的納米材料可用于多種電氣應(yīng)用，例如介電吸收器、電荷存儲電容器和高頻微波設(shè)備。

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