先進功能二維材料的制備、表征及其在能源轉化方面的應用.pdf

1、在過去的二三十年里，由于現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，全球化石燃料的需求量呈幾何指數(shù)的增加，從而導致能源及環(huán)境問題日益嚴峻。因此，尋求可以替代的化石燃料成為世界范圍內急需解決的重大問題。
　　二維材料由于具有優(yōu)異的物理與化學性質，在能量儲存、化學催化、光電子器件等領域成為研究的熱點。
　　模擬光合作用，利用光電轉換技術實現(xiàn)太陽能到電能的轉化，進而可以實現(xiàn)可持續(xù)能源的重復利用。目前，所有光電轉化材料中，基于無機材料的太陽能轉化技術已經(jīng)比

2、較成熟，但這種技術對于材料的高純度要求、較高的制造成本以及廢液污染等因素都嚴重影響了它的大規(guī)模生產(chǎn)應用?；谶@些原因，從基礎研究的角度考慮，開發(fā)新的、高效率、低成本、綠色環(huán)保的功能化有機光伏材料被認為是最具前景的方案之一。
　　另外一個可再生能源的研究熱點就是碳資源。CO2氣體是整個地球碳循環(huán)中非常重要的一環(huán)。在自然界中，CO2氣體主要是來源于有機物的腐爛，動植物的燃燒和呼吸，植物的光合作用再將CO2重新代入到碳循環(huán)中，進而為整個

3、生物鏈提供生存所需的能量。但是由于人類的活動，特別是化石燃料的燃燒，嚴重破壞了自然界的碳平衡。基于這個原因，如何設計并開發(fā)新的催化材料實現(xiàn)有效的CO2氣體減排并重新利用生成液體燃料，也成為了最新基礎研究的前沿熱點。
　　本文的主要內容是利用先進功能材料來實現(xiàn)可再生能源的能源轉化，并且達到環(huán)境友好的目的。主要工作如下:
　　1.設計并合成了基于小分子廉價染料靛藍的先進功能化二維有機共軛光電材料，實現(xiàn)了基于廉價靛藍有機光伏小分子

4、的制備表征，并同時實現(xiàn)產(chǎn)物的可溶性及反應的可控性，該種二維分子調控策略實現(xiàn)了在有機小分子中很難實現(xiàn)的從300 nm到750 nm可見光范圍的全光譜高效吸收，這一策略為有機光電材料的設計在方法學上提供了全新的思路;
　　2.合成了具有先進功能化π電子體系的二維定向具有光電活性的共價有機框架材料(Covalent organic frameworks—COFs)薄膜。以典型的COF，LZUl-COF為例，詳細的研究了不同因素對薄膜生長

5、過程的控制，包括薄膜晶體在不同生長時間、不同單體濃度和不同襯底的對比等影響因素。并利用掠入射廣角X-射線散射(GIWAXS)測試薄膜的內部結構。首次揭示了COFs薄膜生長過程的，并通過化學摻雜提高了材料的導電性，為材料在有機光電轉化中的應用提供了基礎;
　　3.利用先進功能化材料——氮摻雜二維石墨烯(N-graphene)電催化還原CO2為液體燃料，實現(xiàn)大氣中CO2的減排問題，并同時可以催化轉化為可利用的能源。首次利用合成的非金屬