一维ZnO、TiO2纳米阵列制备、修饰及其性能研究

论文摘要

作为一维、半导体纳米结构家族中优秀的两位成员（一维ZnO和TiO2阵列）,因其非凡的光、电、磁以及价廉、无毒、高活性等特点,不仅在光电转换、光伏电池、锂电池和光催化降解污染物等领域成为人们关注的焦点,而且在电致变色、电致发光、微电子装置、传感器以及吸波等领域也有着潜在的应用价值。然而,从已报道的文献资料来看,能够制备形貌、取向、比表面、尺寸以及疏密度都可控的ZnO和Ti02纳米结构阵列的方法大多是在实验条件和工艺过程高要求的情况下进行的。并且,大部分只能合成面积较小的纳米阵列。因此,亟待攻关的研究课题主要集中在：①寻找简易、便利且低能耗的制备技术合成结构优越、表面积更大的一维纳米结构阵列；②探究它们生长机制以及它们的光电转换、光伏电池和电致变色等方面的性能；③构筑理想的电极并进行开发与应用。本论文采用简便的方法在柔软、透明的导电基底上大面积生长出ZnO纳米棒阵列,并研究了它们的机理和电致变色性能；合成了具有更大管间隙的TiO2纳米管阵列,并以此为骨架制备出P25包覆和生长TiO2纳米棒的TiO2纳米管阵列。探究了它们的生长机制,重点对所获得几种阵列样品的光电转换、UV-Vis吸收光谱以及染料敏化太阳能电池等性能进行了测试和对比分析。主要研究内容如下：1.利用预制备种晶和低温水热生长两步法,在柔软、透明的ITO/PET导电基底上大面积合成了均一性好、疏密度和粘附性可控的Zn0纳米棒阵列,解决了无法直接在柔软透明基底上生长Zn0纳米阵列问题。柔软塑料膜不耐高温,但使用低温生长条件,使得在其上合成Zn0纳米棒阵列成为可能。实验中,对各种影响因素进行了系统研究,重点研究了对阵列的疏密度和阵列对基底粘附性的可控制备。对可能的生长机理和动力学过程也进行了探讨。2.将所获得的Zn0纳米棒阵列作为工作电极,研究了其电致变色性能。主要包括,首先探究了不同疏密度和占空比的阵列电极对变色染料的吸附性能。然后,对不同电极材料进行了电致变色性能测试,并且对获得的着色/退色和循环伏安特色曲线及相关实验数据进行了分析与讨论。得到结论,染料吸附效果最好的ZnO纳米棒阵列电极的变色效果、均一性和透光性最好,并呈现出最佳的氧化-还原峰。3.发展了一种在阳极氧化电解质溶液中添加二甲亚砜等有机溶剂的办法,成功合成了大管径和管间距、长管长并且表面粗糙的TiO2纳米管阵列（GTs）。与传统阳极氧化法合成的TiO2纳米管阵列（TNAs）相比,GTs最大优点是能够提供足够大的间隙空间及粗糙的表面进行再修饰,以便更好地吸附各种染料、获得更好的光伏性能。并且进行了表征和机理研究。4.利用普通的水浴锅和高压釜装置设计了两种新的工艺方法。以上述大管间隙的GTs为骨架,成功合成了两种分层次、同质修饰纳米结构阵列：P25包覆的TiO2纳米管阵列（PCTs）和生长TiO2纳米棒的TiO2纳米管阵列（BTs）。并探讨了制备过程中的各种影响因素和可能的合成机理。另外,通过对BTs、PCTs的形貌和物相表征,发现BTs、PCTs中的GTs骨架是锐钛矿相,BTs是由以GTs为主的锐钛矿和生长在其上的金红石晶相的TiO2纳米棒组成的多晶结构；PCTs则是由以GTs和P25颗粒组成的多晶结构。5.以四种新合成的纳米阵列为电极材料,对它们的光电转换、UV-Vis吸收光谱以及染料敏化太阳能电池等性能进行了测试和对比分析。讨论结果发现,与TNAs测试结果相比,大管间隙、长管长GTs和经修饰后表面积更大、更粗糙的BTs和P25的光电流密度、光电转换效率都有了较大的提高（BTs相对最高）,并且它们的光谱吸收边带和峰值也都有较大改善,即光吸收效率有较大提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料的定义与分类
• 1.2.1 纳米材料的定义、特性与分类
• 1.2.2 半导体纳米材料的分类
• 1.3 一维纳米材料的研究进展
• 1.3.1 一维纳米材料诞生与发展
• 1.3.2 一维纳米材料的制备研究
• 1.3.3 一维纳米材料的特性与应用研究进展
• 1.4 一维氧化锌纳米结构材料性能特点和最新研究进展
• 1.4.1 ZnO的晶体结构与性能特点
• 1.4.2 一维ZnO纳米结构材料制备研究进展
• 1.4.3 基于ZnO纳米带/纳米线的机械性能
• 1.4.4 基于ZnO纳米线/纳米带/纳米管等的场发射
• 1.4.5 基于ZnO纳米线的光学性能-电致发光和电致变色
• 1.4.6 基于一维ZnO纳米材料的其它重要应用进展
• 2纳米结构材料的性能特点和最新研究进展'>1.5 一维TiO₂纳米结构材料的性能特点和最新研究进展
• 2的晶体结构与性能特点'>1.5.1 TiO₂的晶体结构与性能特点
• 2纳米材料制备研究进展'>1.5.2 一维TiO₂纳米材料制备研究进展
• 2纳米材料特殊性能与应用进展'>1.5.3 一维TiO₂纳米材料特殊性能与应用进展
• 1.6 本论文的选题背景和研究内容
• 参考文献
• 第二章 柔软基底上ZnO纳米棒阵列疏密度和粘附性可控制备研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 样品表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 柔软基底上ZnO纳米棒阵列制备流程和相应SEM图片
• 2.4.2 样品形貌、结构及物相表征分析
• 2.4.3 ZnO纳米棒阵列疏密度可控研究
• 2.4.4 ZnO纳米棒阵列与基底粘附性研究
• 2.4.5 一维ZnO纳米棒生长机理及动力学过程
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 柔软基底上ZnO纳米棒阵列的电致变色性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和仪器
• 3.2.2 实验部分
• 3.3 电极样品表征
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 ZnO纳米棒阵列对变色材料吸附性能研究
• 3.4.2 工作电极的封装、柔软性和透光性讨论
• 3.4.3 电致变色性能研究
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 2纳米管阵列合成研究'>第四章 大管径和管间距、长管长TiO₂纳米管阵列合成研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和仪器
• 4.2.2 GTs的制备实验
• 4.3 样品表征
• 4.4 结果与讨论
• 2纳米管阵列制备的各种影响因素'>4.4.1 TiO₂纳米管阵列制备的各种影响因素
• 2纳米管阵列的形貌、结构和成分分析'>4.4.2 TiO₂纳米管阵列的形貌、结构和成分分析
• 4.4.3 生长机制与动力学过程
• 2纳米管阵列制备研究'>4.4.4 大管径和管间距、长管长且表面粗糙的TiO₂纳米管阵列制备研究
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 2纳米棒和P25修饰的TiO₂纳米管阵列制备与表征'>第五章 TiO₂纳米棒和P25修饰的TiO₂纳米管阵列制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂和仪器
• 5.2.2 PCTs和BTs制备工艺
• 5.3 样品表征
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 PCTs的制备与表征
• 5.4.2 BTs的制备与表征
• 5.4.3 PCTs和BTs的XRD特征分析
• 5.4.4 BTs和PCTs的生长机制
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 PCTs和BTs光吸收以及光电化学性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂和实验、分析仪
• 6.2.2 光电化学和光谱吸收测试实验
• 6.2.3 染料敏化太阳能电池性能测试实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 光电化学性能
• 6.3.2 紫外-可见光吸收性能
• 6.3.3 染料敏化太阳能电池性能研究
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 攻读学位期间的科研工作
• 致谢