用于显示和储能应用的铋-铝纳米复合材料的燃烧合成方法

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Solution combustion synthesis of Bismuth-Aluminum nanocomposites for display and energy storage applications

纳米复合材料Bi?O?/Al?O?通过Aloe vera凝胶提取物燃烧法合成，具有3.02 eV可调带隙和宽光谱光致发光特性，其CIE色坐标显示超过5000 K的冷白光发射，适用于显示技术。电化学测试表明材料兼具双电层电容和扩散控制储能机制，比电容范围为13.66-17.49 F/g。

　　Bi?O?/Al?O?纳米复合材料的制备与性能研究

在当前的科学研究中，纳米材料因其独特的物理化学性质而受到广泛关注。这些性质包括高比表面积、量子效应以及结构特性等，使得纳米材料在众多领域展现出广泛的应用潜力，如催化、传感器、能量存储和生物医学等。随着对纳米材料研究的深入，纳米复合材料（NCs）因其能够结合不同组分的优势而成为研究热点。纳米复合材料通常由一种纳米材料与另一种基质材料组成，形成一种具有协同效应的混合结构，不仅能够提升材料的性能，还能拓展其应用范围。在本研究中，通过使用Aloe vera凝胶提取物作为燃烧法的媒介，成功制备了Bi?O?/Al?O?纳米复合材料，并对其结构、形貌、光学性能以及电化学特性进行了系统分析，揭示了其在光致发光和能量存储方面的应用潜力。

Bi?O?和Al?O?作为两种重要的金属氧化物，各自具有独特的物理化学性质。Bi?O?具有高折射率、优异的离子导电性以及出色的光学和电子特性，广泛应用于固态电解质、传感器和光电材料等领域。而Al?O?则以其高硬度、热稳定性、电绝缘性和良好的耐腐蚀性著称，被广泛用于电子器件、光学器件和能量存储材料。然而，单一的Bi?O?或Al?O?材料在某些方面存在局限性。例如，Bi?O?虽然具有良好的光学活性，但其在长期循环中容易发生多晶相变和体积变化，从而影响其电化学稳定性。而Al?O?虽然具有良好的化学和热稳定性，但由于其较宽的禁带宽度和绝缘特性，限制了其在可见光响应和电子导电方面的应用。因此，将Bi?O?与Al?O?结合形成纳米复合材料，有望克服这两种材料的缺点，实现性能的互补与提升。

本研究采用了一种绿色的燃烧合成方法，利用Aloe vera凝胶提取物作为燃烧燃料和反应介质，成功制备了Bi?O?/Al?O?纳米复合材料。这种方法不仅环保，而且能够实现材料的均匀分散和精细结构的形成。通过X射线粉末衍射（PXRD）分析，确认了Bi?O?和Al?O?纳米颗粒的形成，并且未观察到其他杂质峰。这表明所制备的纳米复合材料具有较高的纯度和良好的晶体结构。进一步的晶粒尺寸计算和Williamson–Hall（W–H）图谱分析表明，Bi?O?纳米颗粒的晶粒尺寸约为14 nm，而Al?O?纳米颗粒的晶粒尺寸约为16 nm。此外，晶格应变的分析也表明，这种纳米复合材料具有较低的晶格缺陷和较高的结构稳定性。

在形貌分析方面，扫描电子显微镜（SEM）图像显示，Bi?O?纳米颗粒均匀分布在Al?O?片状结构的表面，形成了类似于层状或薄片状的复合结构。这种结构不仅有助于提高材料的表面活性，还能够促进离子在电化学过程中的传输。EDAX分析进一步确认了Bi?O?/Al?O?纳米复合材料的元素组成，其中Bi、Al和O的含量分别对应于Bi?O?和Al?O?的组成比例。这表明，纳米复合材料的合成过程能够实现对两种组分的精确控制，从而确保其性能的优化。

在光学性能方面，紫外-可见吸收光谱分析表明，Bi?O?/Al?O?纳米复合材料具有较宽的禁带宽度，约为3.02 eV。这一结果与Bi?O?（2.8 eV）和Al?O?（7 eV）的禁带宽度相比，处于中间值，表明该纳米复合材料具有良好的光学活性，可能适用于紫外敏感材料或光催化应用。通过光致发光（PL）光谱分析，研究人员发现，当使用不同激发波长（220 nm和250 nm）时，材料的发光特性发生了显著变化。在220 nm激发下，光谱主要表现出蓝色和红色发射，而在250 nm激发下，光谱还包含了绿色发射。这种发射特性的变化可能与材料内部的缺陷状态、氧空位或其他结构缺陷有关，而这些缺陷在光致发光过程中起到了重要的作用。此外，通过CIE色度图分析，研究团队还发现，随着激发波长从220 nm变化到250 nm，材料的色度坐标从蓝绿色区域逐渐向更明显的蓝色区域移动，表明其光致发光特性具有可调性。这种特性使得该纳米复合材料在显示技术、光学器件和照明应用中具有重要价值。

在电化学性能方面，研究人员对Bi?O?/Al?O?纳米复合材料进行了系统的测试，包括循环伏安法（CV）、恒流充放电法（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）。CV测试结果表明，材料的充放电曲线呈现准矩形形状，这通常意味着主要的电荷存储机制是电容型的，而非法拉第型。这表明Bi?O?/Al?O?纳米复合材料在电化学应用中具有较高的电容性能，可能适用于超级电容器等能量存储设备。GCD测试进一步证实了材料的稳定性和可逆性，其在不同电流密度下的电容值保持较高水平，表明其具有良好的电化学循环性能。EIS分析则显示，该材料具有较低的电荷转移电阻（表现为小的半圆直径），以及扩散主导的电荷传输行为，这进一步验证了其在能量存储中的应用潜力。

从电化学测试结果来看，Bi?O?/Al?O?纳米复合材料在电容型和扩散型电荷存储机制之间表现出一定的平衡。在较低的扫描速率下，电容值较高，而在较高的扫描速率下，电容值略有下降。这表明材料的电荷存储机制受到离子扩散速率的限制，因此在提高扫描速率时，材料的电容性能会有所降低。然而，这种性能的稳定性表明，该纳米复合材料在多种电化学条件下仍具有较高的应用价值。此外，通过比较不同文献中报道的超级电容器材料的性能，研究团队发现，Bi?O?/Al?O?纳米复合材料的电容值和循环稳定性均表现出良好的竞争力，这进一步证明了其在能量存储领域的应用前景。

综上所述，本研究通过Aloe vera凝胶提取物作为燃烧媒介，成功制备了Bi?O?/Al?O?纳米复合材料，并对其结构、形貌、光学性能和电化学性能进行了系统分析。结果表明，该纳米复合材料具有良好的相纯度、合理的晶粒尺寸和稳定的电化学性能。其光致发光特性在不同激发波长下表现出明显的可调性，而电化学性能则主要依赖于电容型和扩散型电荷存储机制的协同作用。这些结果不仅揭示了Bi?O?/Al?O?纳米复合材料的潜在应用价值，也为未来在纳米材料设计和性能优化方面提供了新的思路。