《Physica B: Condensed Matter》：The electrical modulation and the non-linear transport properties of nanoporous carbon derived from organic xerogel.
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纳米多孔碳材料通过溶胶-凝胶法在675°C制备，系统研究热解温度对电导率的影响，发现特定温度下呈现绝缘-金属转变，符合逾渗理论，适用于新型负电子器件和功率电子元件。
I. Najeh|W. Ahmed|M. Hjiri|L. El Mir
加贝斯大学科学学院材料与纳米材料物理实验室（LaPhyMNE），突尼斯加贝斯
摘要
本研究详细探讨了采用溶胶-凝胶法在675°C温度下制备的纳米多孔碳结构的电学性质，并考察了测量温度对675°C下热解样品电学性质的影响。通过使用间苯二酚和甲醛，并以苦味酸作为催化剂，通过溶胶-凝胶技术制备了一种有机干凝胶。在惰性气氛中对这种有机干凝胶进行热处理后，获得了在80至300 K温度范围内表现出三维跳跃导电特性的样品，这是传统半导体的特征。该材料在新型负电子设备和高功率电子元件中具有巨大的应用潜力。通过对拟合参数的温度依赖性变化的分析，进一步加深了对导电机制的理解。
引言
基于碳的材料，尤其是活性炭和纳米多孔碳材料，在应对能源可持续性、环境修复和先进技术等全球性挑战中发挥着关键作用。它们具有较大的表面积、可调的孔隙率以及优异的物理化学稳定性，使其成为二氧化碳捕获和储存的理想选择；近期研究证明它们在实际条件下具有出色的吸附能力[1]、[2]、[3]、[4]。在能量存储方面，这些材料在超级电容器和电池中表现出优异的电化学性能和循环稳定性[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。此外，通过创新的合成方法和结构优化，其在水净化、气体分离和电催化领域的应用也得到了验证[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]，这凸显了它们的多功能性，并推动了向可扩展、高影响力解决方案的研发。
间苯二酚和甲醛溶液发生缩聚反应，生成有机干凝胶，这是一种多孔碳材料。随后在氮气气氛下进行不同温度下的热处理[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，使这些前体转化为活性炭，其性能受多种因素影响。对这些材料电学性质随时间变化的研究发现，其与热解温度之间存在显著关联[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。过去三十年间，学术界对无序固体中的电子传输现象给予了大量关注，重点研究电子态的局域化及其对宏观物理性质的影响[29]、[30]。由于碳材料在催化、吸附、能量存储和药物输送等领域的广泛应用，对其合成和设计的研究日益受到重视[31]、[32]。许多研究致力于开发具有不同孔径的碳材料，但这往往导致成本增加或需要复杂的合成工艺[33]。因此，迫切需要优化合成方法以制备高孔隙率的碳材料，从而推动此类催化系统的进步。在众多的合成碳材料中，通过溶胶-凝胶技术制备的碳凝胶在结构特性上表现出显著的多样性，这些特性可以通过在凝胶化、固化及干燥过程中精心选择参数来精确调控。这种适应性促进了具有目标孔结构的碳材料的发展[34]、[35]。Job等人[36]对通过间苯二酚-甲醛凝胶干燥和热解得到的碳材料进行了表征，指出了冷冻干燥法制备碳整体材料时遇到的挑战。Alegre等人[37]采用溶胶-凝胶法合成了碳干凝胶，发现间苯二酚和甲醛的化学计量比可得到结构良好的凝胶。Yang等人[38]通过间苯二酚和甲醛的缩聚反应制备了碳气凝胶，并认为大孔径的碳气凝胶适用于低速充放电场景。
在本研究中，我们阐明了在600至1000°C氮气气氛下热解的碳材料的导电性相关发现，这一过程伴随着绝缘体-金属转变现象。为阐明电荷传输机制，有必要在80–300 K的温度范围内评估直流和交流条件下的导电性。
实验部分
实验过程
碳气凝胶的制备分为三个步骤：首先，将甲醛（F）与溶解在丙酮（A）溶剂中的间苯二酚（R）混合，并使用苦味酸作为催化剂，确定R/F和R/A的化学计量比为1/2和1/6。所有样品的催化剂浓度均保持一致。湿凝胶的形成仅需几秒钟。
结果与讨论
文档中的图1展示了由间苯二酚-甲醛（RF）制备并在675°C下热解得到的纳米多孔碳材料的透射电子显微镜（TEM）图像。该图像揭示了在该温度下处理的RF样品的微观结构特征，显示出高度多孔且无序的非晶碳结构，这是低温热解过程的典型特征。
结论
本研究深入分析了由溶胶-凝胶法制备的有机干凝胶经热解后所得纳米多孔碳材料的电学性质。研究发现，电导率在特定热解温度后显著增加，这一转变符合渗透理论的解释。电导率的提升与热解温度密切相关。
作者贡献声明
Imededdine Najeh：撰写初稿，概念构思。W. Ahmed：概念构思。L. El Mir：撰写初稿。M. Hajri：资源提供
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
