DOI: 10.1038/s41598-022-07830-z

本研究旨在结合溶胶-凝胶法和静电纺丝法，使用13%聚丙烯腈（PAN）/N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液制备出Bi2O3纳米线，其中添加了1.5g五水合硝酸铋（Bi（NO3）3·5H2O）。将所得的纤维复合垫在室温下干燥24小时，然后在空气中于400℃和600℃两种不同温度下进行煅烧。基于TEM图像对所制备的Bi2O3纳米材料的形貌分析表明，所获得的陶瓷结构可以归类为一维Bi2O3纳米结构，其尺寸分别为直径260nm、125nm和200nm，长度5.5μm、2μm和2.125μm。此外，采用SEM对所得Bi2O3纳米结构的进一步形貌分析表明，当煅烧温度为400℃时，它们的直径范围为150至500nm，而600℃下获得的Bi2O3纳米线的直径为150-450nm。使用EDX和FTIR分析所产生一维纳米结构分子中振动能级之间振动的原子的化学成分和振动跃迁，并确定其中存在的官能团。在400-4000cm-1波数范围内记录的FTIR光谱中的透射峰是由于Bi-O键中存在振动，这与Bi2O3的结构相对应。本文首次详细分析了采用溶胶-凝胶法、静电纺丝法和煅烧法相结合制备的一维Bi2O3纳米结构的光学常数。基于紫外-可见光谱的光学研究表明，所获得的Bi2O3纳米线在近紫外范围内具有尖锐的辐射吸收边，在400nm波长处具有尖锐的吸收边，而与煅烧过程中的施加温度无关。光学常数研究表明，Bi2O3纳米结构在400℃和600℃下的折射率分别为2.62和2.53，而介电常数分别为6.87和6.42。该研究的最后阶段确定了所产生的氧化铋纳米结构的能隙宽度，分别为3.19和2.97eV。所获得的一维Bi2O3半导体纳米结构的形貌和光学性质表明，此类材料有望用于生产新一代染料敏化光伏电池（DSSCs）。

 图1.使用溶胶-凝胶工艺、静电纺丝和煅烧方法制备Bi2O3纳米结构的实验方案。

图2.通过在600℃下煅烧PAN/Bi2O3纤维复合垫获得的一维氧化铋纳米结构的TEM图像（a,b），扫描-透射模式下的明场（BF）和暗场（DF）图像（c,d），以及HAADF（e）和STEM模式成像（f）。

图3.通过在400℃（a）和600℃（b）下煅烧纤维复合材料PAN/Bi2O3垫获得的一维氧化铋纳米结构的FTIR光谱。

图4.形成的PAN/Bi2O3纤维复合垫表面形貌的SEM图像（a），直方图显示了由PAN/Bi（NO3）3·5H2O/DMF溶液制备的随机选择纳米纤维的直径分布（b），SEM图像所示整个区域的EDS光谱（C峰的强信号，来自聚合物以及沉积纳米纤维的基底）。

图5.PAN/Bi2O3纤维复合垫在400℃下煅烧后获得的纳米线表面形貌的SEM图像，放大5000x（a）和10000x（b），直方图显示了随机选择纳米线的直径分布（c），SEM图像所示整个区域的EDS光谱（C峰值来自沉积纳米线的基底）。

图6.PAN/Bi2O3纤维复合垫在600℃下煅烧后获得的纳米线表面形貌的SEM图像，放大5000x（a）和10000x（b），直方图显示了随机选择纳米线的直径分布（c），SEM图像所示整个区域的EDS光谱（C峰值来自沉积纳米线的基底）。

图7.通过在400℃（a）和600℃（b）下煅烧PAN/Bi2O3纤维复合垫获得的一维氧化铋纳米结构的紫外-可见光谱。

图8.通过在400℃和600℃下煅烧PAN/Bi2O3纤维复合垫获得的一维氧化铋纳米结构的复折射率实部n′（a）和虚部k（b）的波长依赖性。

图9.通过在400℃和600℃下煅烧PAN/Bi2O3纤维复合垫获得的一维氧化铋纳米结构的介电常数实部εr（a）和虚部εi的波长依赖性。

图10.通过在400℃和600℃下煅烧PAN/Bi2O3纤维复合垫获得的一维氧化铋纳米结构的（αhν）2与量子辐射能量的函数关系。