一維有序納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成及其光電化學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、一維納米結(jié)構(gòu)材料由于其在納米器件中的潛在應(yīng)用，引起了人們廣泛的研究興趣。而一維納米材料的可控制備是其應(yīng)用于納米器件的前提和基礎(chǔ)，所以探索研究一種對(duì)一維納米材料的成核、形貌、排列、成分的可控制備方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。圍繞著一維納米材料的設(shè)計(jì)合成及其應(yīng)用，本文開(kāi)展了一系列的研究工作，主要包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)通過(guò)簡(jiǎn)單的熱蒸發(fā)GeO2和C混合粉末的方法，以雙相(α+β)黃銅為襯底制備了圖形分布的Zn2GeO4包裹ZnO納米線陣

2、列。微觀分析揭示，一維納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)物通過(guò)自催化生長(zhǎng)機(jī)制在α相表面選擇性定位生長(zhǎng)，最終合成產(chǎn)物的分布完全遺傳了α相在雙相黃銅表面的金相分布。提供了一種根據(jù)合金基底的金相分布圖形，來(lái)控制一維納米材料的生長(zhǎng)位置、合成具有圖形分布納米陣列的方法。
　　(2)通過(guò)熱蒸發(fā)Ge粉，以Cu-Zn(41 wt%Zn)合金為襯底，制備了鏈球狀GeO2/Zn2GeO4核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)。合金不僅作為襯底收集產(chǎn)物，而且其在一定溫度下發(fā)生的脫鋅過(guò)程可以為納米產(chǎn)物的

3、合成提供鋅源。發(fā)現(xiàn)了以“X”型和“Y”型連接在一起的納米鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)給出了鏈球狀GeO2/Zn2GeO4核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)理。
　　(3)直接對(duì)Cu-2n(41 wt%Zn)合金進(jìn)行加熱處理，通過(guò)調(diào)節(jié)熱處理溫度，控制ZnO納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的形貌，成功制備出ZnO微米片、納米梳、納米帶、納米棒。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Cu-Zn合金既用來(lái)作為襯底收集產(chǎn)物，同時(shí)又利用脫鋅現(xiàn)象為產(chǎn)物的合成提供鋅源。
　　(4)通過(guò)熱蒸發(fā)In2O3和C混合

4、粉末，以Cu95Sn5合金作為基底，利用合金表面三叉晶界處缺陷多、能量高的特點(diǎn)，使其受熱優(yōu)先融化并析出合金液滴，利用VLS方式控制生長(zhǎng)一維In2O3納米結(jié)構(gòu)。合金基底既起到收集產(chǎn)物的作用，又參與了納米結(jié)構(gòu)的形核-生長(zhǎng)過(guò)程。本方法基于VLS生長(zhǎng)機(jī)制，通過(guò)金屬催化劑的定位形成，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一維納米結(jié)構(gòu)的定位控制生長(zhǎng)。
　　(5)利用碳熱還原法，在Cu95Sn5合金基底上直接生長(zhǎng)葉狀Ga摻雜In2O3納米產(chǎn)物。Cu95Sn5合金基底受熱后，

5、晶界發(fā)生融化過(guò)程，析出的催化劑顆粒通過(guò)VLS機(jī)制控制生長(zhǎng)一維納米線，同時(shí)納米帶在納米線的兩側(cè)同質(zhì)外延生長(zhǎng)，最終在Cu95Sn5合金基底的晶界處定位生長(zhǎng)出形貌類似玉米葉的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。同時(shí)合成產(chǎn)物與導(dǎo)電基底具有良好的物理接觸性能，有利于產(chǎn)物的器件應(yīng)用。
　　(6)通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法，直接在氟摻雜SnO2(SnO2：F，F(xiàn)TO)基底表面生長(zhǎng)了由一維納米棒組成的花狀ZnO納米結(jié)構(gòu)。以不同溶液濃度所合成的花狀ZnO納米結(jié)構(gòu)作為光陽(yáng)極，制備了

6、“三明治”型染料敏化太陽(yáng)能電池。發(fā)現(xiàn)隨著ZnO制備溶液濃度的增加，電池短路電流密度急劇減小，而濃度的變化對(duì)開(kāi)路電壓和填充因子的影響較小。制備器件中獲得的最大短路電流Jsc和光電轉(zhuǎn)化效率分別為1.33 mAcm-2和0.3%。
　　(7)通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法，在涂覆種子層的FTO基底表面成功制備出一維ZnO納米線陣列。研究發(fā)現(xiàn)：提高合成溶液濃度，納米線的直徑增加，而納米線的密度沒(méi)有發(fā)生明顯的變化；定時(shí)更換新鮮合成溶液可以增加納米線的長(zhǎng)度

7、，提高產(chǎn)物的長(zhǎng)徑比；增加種子層的涂覆次數(shù)，提高種子層顆粒厚度可以增強(qiáng)納米線陣列與基底接觸的牢固性。以不同溶液濃度所合成的ZnO納米線陣列作為光陽(yáng)極，制備了“三明治”型染料敏化太陽(yáng)能電池。相對(duì)于花狀ZnO納米結(jié)構(gòu)制備的DSSCs，一維有序ZnO納米線陣列制備的電池在短路電流密度有顯著的提升，而隨著制備ZnO納米線陣列溶液濃度的增加，短路電流密度逐漸減小。以0.05M的生長(zhǎng)溶液，經(jīng)過(guò)三次生長(zhǎng)、長(zhǎng)度為6μm的納米線陣列作為光陽(yáng)極獲得的短路電流

8、密度和轉(zhuǎn)化效率最大，約為3.44 mA/cm2和1.03%。
　　(8)通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法，利用三聚磷酸鈉作為表面改良介質(zhì)，設(shè)計(jì)合成納米線陣列/六角形納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)ZnO陽(yáng)極材料。在預(yù)制備的ZnO陣列頂端沿c軸方向上非共軸地堆疊著大量的六角形ZnO納米顆粒，形成了空間多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZnO納米顆?？梢蕴岣吖怅?yáng)極的散射能力，使入射光在光陽(yáng)極薄膜內(nèi)發(fā)生多次反射，增加染料分子在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光利用率，從而提高染料電池的短路電流密度。以Z

9、nO納米線/納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)組裝的電池短路電流密度為3.35 mA/cm2，開(kāi)路電壓為0.66 V，填充因子為56%，計(jì)算所得的電池總的轉(zhuǎn)換效率為1.24%。
　　(9)通過(guò)兩步水熱法，成功制備出ZnO/ZnS核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列。研究發(fā)現(xiàn)ZnS包覆ZnO納米線后，不僅提高了光陽(yáng)極的表面粗糙度，增加了染料吸附量，而且降低了晶體氧空位密度，減少了電子與氧空位復(fù)合。此外，ZnS外殼使ZnO與電解質(zhì)之間和ZnO與染料分子之間產(chǎn)生有效的