面向光催化和光伏器件的氧化鋅納米線制備與集成.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙半導體材料，它具有較寬的帶隙和較高的激子結合能。納米結構的ZnO具有優(yōu)異的電學、光學、氣敏和光催化氧化等特性，在透明電極、發(fā)光二極管、太陽能電池、紫外探測器、壓電器件、聲表面波器件、氣敏傳感器、光催化降解等領域得到了廣泛應用。尤其是ZnO納米材料作為一種高效、無毒、價格低廉的光催化劑，在光催化降解有機污染物和礦化環(huán)境污染物等領域備受關注。同時，納米結構的ZnO具有高的比表面積、高的電子遷移率、

2、對可見光透明、納米形貌豐富等特點，成為染料敏化太陽能電池領域的一個研究熱點。目前，國內外研究人員在ZnO納米材料的結構和特性等方面開展了大量的研究工作，但在器件化和實用化方面，仍存在許多的問題需要解決，比如工藝的集成性和重復性較低，工藝過程復雜且成本較高等。因此，研究ZnO納米材料的制備方法，將其與微納米加工技術相結合，開發(fā)具有實用價值的新型器件，探索微觀結構與器件性能之間的內在聯(lián)系，具有十分重要的意義。
　　本論文研究工作主要以

3、一維ZnO納米線為研究對象，將其與傳統(tǒng)的微加工和微流體等技術相集成，重點研究其在光催化和光伏電池中的應用問題。圍繞此內容，具體開展了以下幾個方面的工作:
　　(1)通過采用溶膠-凝膠工藝與旋涂工藝相結合的方法在硅基底上制備了高質量的ZnO種子層，從而對水熱法合成ZnO納米線的工藝進行了改進。利用該方法制備的ZnO種子層是由粒度均勻的ZnO納米顆粒構成，具有明顯的纖鋅礦結構和良好的c軸擇優(yōu)取向，而且對設備要求不高、工藝簡單、重復性好

4、，滿足了大面積制備ZnO納米線的需要;研究了生長液中的不同添加劑的含量以及生長時間對納米線形貌的影響，結果表明，氨水和聚醚酰亞胺(PEI)對于獲得高長徑比的納米線具有直接的影響，而隨著生長時間的增加，ZnO納米線快速且近乎呈線性的增長;通過將改進的水熱法與光刻工藝相結合制備了長且垂直對準的ZnO納米線陣列，并明顯改善了納米線的底部融合問題，從而有利于將ZnO納米線集成到實用化器件之中。
　　(2)提出了一種面向光催化應用的新型微流

5、體反應器。通過采用水熱法與光刻工藝相結合的方法在玻璃基底上制備了大面積垂直對準的ZnO納米線，然后利用軟光刻技術制備了帶有微流體溝道的PDMS殼體，將兩者鍵合形成一個平面微流體反應器;ZnO納米線作為固定型光催化劑，具有明顯的纖鋅礦結構以及良好的紫外吸收特性，同時也避免了催化劑從處理后的溶液中分離回收的難題;通過光催化降解亞甲基藍的實驗對微流體反應器的光催化性能進行了研究，結果表明，該反應器具有穩(wěn)定而高效的光催化性能，通過對ZnO納米線

6、退火以及染料溶液沖洗等預處理均能有效地增強反應器的光催化能力;與其它對照實驗相比，該平面微流體反應器也顯示出了優(yōu)異的光催化性能。可見，該反應器具有制備工藝簡單，光催化效率高，適合于規(guī)?；a等優(yōu)點，因此，它具有非常廣闊的應用前景。
　　(3)研究了鈀摻雜對ZnO納米纖維的光催化增強效應。以聚乙烯吡咯烷酮為纖維模板、醋酸鋅/氯化鈀為前驅體、一定體積比的乙醇/醋酸/水等為混合溶劑，利用靜電紡絲技術制備了復合納米纖維;通過在600℃下煅

7、燒2小時得到了鈀摻雜的ZnO納米纖維，它們是具有超高長徑比的納米線;利用SEM、TEM、XRD和FTIR等技術對ZnO納米纖維的結構和特性進行了表征，測試結果表明，煅燒后的納米纖維呈纖鋅礦結構，由幾納米到幾十納米的晶粒構成，由于鈀摻雜量相對較小，其未對納米纖維的形貌產生明顯影響;通過光催化降解亞甲基藍，實驗研究了鈀摻雜對ZnO納米纖維的光催化性能的影響，結果表明，與純ZnO納米纖維相比，一定量的鈀摻雜可以顯著提高其光催化性能，并分析了可

8、能的影響機制。
　　(4)研究了ZnO納米線形貌和微流體電解質對光伏器件性能的影響。結合水熱法和光刻工藝在FTO玻璃基底上制備了垂直對準的ZnO納米線，對比研究了定時更換生長液對ZnO納米線形貌的影響，結果表明，定時更換生長液對于提高納米線的生長速率以及獲得高長徑比的納米線非常重要;研究了納米線長度對光伏器件性能的影響，測試結果表明，隨著納米線長度增加，光伏器件的性能不斷提高，這主要歸因于納米線上染料吸附量的增加;首次將微流電解質