有机-无机杂化透明固态离子导体：N-丁基吡啶氯铋酸盐(III)的合成与性能研究

这篇研究报道了一种新型有机-无机杂化金属卤化物(C4py)3[Bi2Cl9]，该材料兼具光学透明性（>90%可见光透过率）和优异的室温离子电导率（10?3 mS cm?1）。通过单晶解析揭示了其由N-丁基吡啶阳离子和[Bi2Cl9]3?阴离子组成的独特结构，热稳定性达300°C且具有101.6°C的低熔点特性。这种软质材料在电致变色器件和柔性储能领域展现出重要应用潜力。

　　

Abstract

透明固态离子导体作为新一代功能材料，在光电和能源领域具有重要应用价值。本研究成功开发出三-N-丁基吡啶九氯二铋酸盐(III)化合物，通过单晶X射线衍射证实其正交晶系P2₁2₁2₁空间群结构，包含由BiCl₆八面体共边连接形成的[Bi₂Cl₉]^3?阴离子和有机阳离子。

Introduction

随着智能窗、固态电池等技术的发展，兼具光学透明性和离子传导功能的材料成为研究热点。传统材料如LISICON、NASICON等虽具有超离子特性，但加工性能受限。金属卤化物因其结构可调性成为新兴候选材料，本研究通过离子液体模板法开发出新型铋基杂化材料。

Results and Discussion

晶体结构分析显示材料中存在丰富的C-H···Cl氢键和Cl···π相互作用，这种弱相互作用网络有利于离子迁移。热分析表明材料具有0°C玻璃化转变和101.6°C熔点的独特热行为，较母体N-丁基吡啶氯化物熔点降低30°C。

薄膜制备方面，采用旋涂法在DMF/DMSO混合溶剂中获得了具有单向生长特性的均匀薄膜，SEM显示其表面形貌与体相晶体结构高度一致。光学测试证实薄膜在可见光区透光率>90%，且溶剂选择显著影响薄膜干涉条纹特征。

电化学测试显示材料室温离子电导率达5×10^?3 mS cm^?1，70°C时提升至3×10^?2 mS cm^?1，活化能为0.24 eV。计时电流法证实其离子迁移贡献率达82%，属于典型的离子导体。

Conclusion

该研究首次实现了离子液体衍生的透明金属卤化物导体，其低熔点特性为开发可溶液加工的柔性离子器件提供了新思路。材料优异的热稳定性和光学性能，使其在智能窗、固态电池等领域具有明确的应用前景。未来可通过阴离子工程和阳离子修饰进一步优化其性能。

Experimental Section

合成采用乙腈溶剂一锅法反应，BiCl₃与N-丁基吡啶氯化物110°C反应90分钟后室温结晶。薄膜通过优化旋涂参数制备，采用电化学阻抗谱和直流极化法测定导电性能。所有表征数据均通过PXRD、XPS等验证了材料纯度。