《Solid State Ionics》：Current trends in solid state ionics: Defect engineering and surface chemistry
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纳米复合材料制备及其介电与电学性能研究。采用原位氧化聚合法成功制备了壳聚糖/聚苯胺（CPA）及壳聚糖/聚苯胺/氧化铌（CPAN）纳米复合材料，系统表征了其结构形貌与电学特性。研究表明CPA在8MHz时电导率达6.91×10-2 S/m，呈现显著频率依赖性，遵循相关势垒跳跃（CBH）机制；CPAN的介电常数与损耗随铌含量增加而降低，介电常数高达3.4×107。材料具有潜在应用价值于高频电子器件和储能系统。
Madihally Nagaraja|Sushma Prashanth|Praveen Beekanahalli Mokshanatha|Jayadev Pattar|Shambonahalli Rajanna Manohara|Kenchaiah Sunil
印度图马库鲁（Tumakuru）斯里悉达多高等教育学院（Sri Siddhartha Academy of Higher Education）物理系，邮编572105
摘要
通过使用过硫酸铵作为氧化剂，通过原位氧化聚合苯胺成功制备了壳聚糖/聚苯胺（CPA）和壳聚糖/聚苯胺/Nb?O?（CPAN）杂化纳米复合材料，并控制了Nb?O?纳米粒子的负载量（0.2–0.8克）。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对结构和形态进行了分析，证实了Nb?O?纳米粒子在壳聚糖/聚苯胺基质中的成功掺入及其均匀分散，并形成了结构明确的纳米复合材料。在10 Hz–8 MHz的频率范围内测量的交流电导率（σAC）显示出与Jonscher幂律一致的频率依赖性增加，表明相关能级跃迁（CBH）是主要的导电机制。在所有样品中，CPA纳米复合材料的交流电导率最高（8 MHz时为6.91 × 10?2 S/m），表明在高频率下载流子迁移率得到改善。介电研究表明，随着Nb?O?含量的增加，介电常数（ε'）和介电损耗（ε″）均有所下降，这归因于载流子迁移率的降低和界面极化的增强。在10 Hz时，CPA表现出异常高的介电常数（ε' = 3.4 × 10?）和介电损耗（ε″ = 2.6 × 10?）。tanδ损耗谱显示了明显的松弛峰，证实了介电松弛行为，而阻抗和电模量分析表明其松弛类型非Debye型。CPAN纳米复合材料的可调电学和介电性能展示了其在高频和电子应用中的潜力，包括能量存储、光电子学、薄膜晶体管、电极和生物传感器。
引言
在过去十年中，聚合物纳米复合材料的电导率和介电行为对于提高混合聚合物的性能变得越来越重要[1]。壳聚糖是一种低成本的阳离子天然多糖，含有氨基和羟基官能团[2]。它具有独特的物理化学性质，包括生物降解性、生物相容性、成膜能力和无毒性。聚苯胺是一种导电聚合物，其共轭电子系统赋予了它卓越的电子、电学、磁学、光学和电化学性能。它重量轻、柔韧、成本效益高，并且能够吸收电磁波。因此，将壳聚糖与导电聚合物混合可以产生具有优化性能的新材料[3]、[4]、[5]、[6]。此外，当将过渡金属氧化物纳米粒子掺入这些聚合物混合物中时，会显著改变其结构、物理、光学和化学性质。这些改性扩展了这些材料在光电子学、电致变色器件、电磁干扰（EMI）屏蔽和各种生物系统中的应用潜力[7]、[8]、[9]、[10]。
五氧化二铌（Nb?O?）是一种过渡金属氧化物，也是一种n型半导体，以其多样的结构和物理化学性质而闻名。在铌氧化物中，Nb?O?具有最稳定的热力学性质，并且具有宽的带隙（3.4–4.0 eV）。Nb?O?具有独特的形态特征和载流子的多功能性，因此在现代技术中有着广泛的应用，包括光催化剂、电致变色显示器、超级电容器、耐腐蚀涂层、电极、微电子器件、电池、太阳能电池、传感器和光学材料。因此，将Nb?O?掺入聚合物混合物中可以提高材料的热稳定性[11]、[12]。
多项研究探讨了通过掺入金属氧化物纳米粒子来增强壳聚糖/聚苯胺（CS/PANI）混合物基体的性能。Megha等人[13]使用机械混合方法合成了一系列基于PANI的金属氧化物复合材料，包括聚苯胺-氧化钇（PANI–Y?O?）、聚苯胺-五氧化二铌（PANI–Nb?O?）和聚苯胺-二氧化钛（PANI–TiO?）。交流电导率的比较分析表明，PANI–Nb?O?复合材料的电导率优于纯PANI和其他复合材料。这一发现突显了PANI–金属氧化物复合材料的潜力，特别是在使用相关能级跃迁（CBH）机制进行建模时，适用于传感器和半导体电路组件的先进应用。类似地，Maruthi等人[14]证明PANI包覆的五氧化二铌（PANI–Nb?O?）纳米复合材料是有效的电磁干扰（EMI）屏蔽材料。在另一项研究中，Mahimai等人[15]采用溶液浇铸技术制备了一系列由Nb?O?、磺化聚苯胺（SPANI）和聚砜（PSU）组成的聚合物纳米复合膜。Nb?O?的掺入显著改善了这些有机-无机杂化膜的物理化学性质，提高了它们的离子电导率和热稳定性。
关于壳聚糖/聚苯胺/Nb?O?（CPAN）纳米复合材料的电荷传输机制和介电行为的广泛研究尚不多见。因此，本研究描述了使用原位氧化聚合方法制备不同Nb?O?纳米粒子负载量的CPAN纳米复合材料。利用多种表征技术对这些纳米复合材料的结构、形态、电导率和介电性能进行了研究。与它们的组成成分相比，这些纳米复合材料表现出改进的结构、电学和介电特性。因此，这些纳米复合材料在能量存储、光电子器件、薄膜晶体管、电极和生物传感器等方面具有潜在的应用价值。
所用材料
孟买的Loba-ChemiePvt. Ltd.公司提供了由虾壳制成的75%脱乙酰壳聚糖。其他化学品购自孟买的Thomas-Baker (Chemicals) Pvt. Ltd.：醋酸（99.5%，CH?COOH，分子量：60.05 g/mol）、盐酸（35–38%，HCl，分子量：36.46 g/mol）、丙酮（99%，(CH?)?CO，分子量：58.08 g/mol）、苯胺（99%，C?H?NH?，分子量：93.13 g/mol）和过硫酸铵（99%，APS，(NH?)?S?O?，分子量：228.20 g/mol）。
FTIR光谱
FTIR光谱可以揭示聚合物和金属氧化物纳米粒子之间的相互作用。图1展示了CPA、CPAN-0.2、CPAN-0.4、CPAN-0.6、CPAN-0.8和Nb?O?的FTIR光谱。尽管强度和波数有所差异，但CPA的FTIR光谱验证了壳聚糖和聚苯胺的所有特征谱带，这与文献中的报告值一致[16]。这表明了化学相互作用和键合的发生。
结论
通过控制Nb?O?负载量（0.2、0.4、0.6和0.8克），通过原位氧化聚合成功合成了CPA和CPAN纳米复合材料。结构和形态分析（FTIR、XRD、SEM）证实了Nb?O?纳米粒子在聚苯胺基质中的成功掺入。交流电导率遵循Jonscher幂律，与相关能级跃迁（CBH）的电荷传输模型一致。在所有样品中，CPA表现出最高的交流电导率（σAC）。
CRediT作者贡献声明
Madihally Nagaraja：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、研究、数据分析、概念化。Sushma Prashanth：撰写 – 初稿、研究、数据分析、数据管理、概念化。Praveen Beekanahalli Mokshanatha：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、数据分析。Jayadev Pattar：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、数据分析。Shambonahalli Rajanna Manohara：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
