基于低維納米材料的能量轉(zhuǎn)換與存儲器件的設計.pdf

1、光電轉(zhuǎn)換、電化學催化析氫和超級電容都是環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)換、存儲方式，發(fā)展具有上述性能的材料體系將極大的緩解能源危機對我們的生活和環(huán)境所造成的沖擊。然而，當前具有上述性能的能源轉(zhuǎn)換和存儲器件仍面臨著加工程序繁瑣、制作成本高、性能較差等實際困難，這些問題極大的限制了其在實際中的應用。因此，設計和制備具有高性能的能量轉(zhuǎn)換和存儲的材料是十分必要的。由于量子尺寸效應，納米材料往往呈現(xiàn)出異于相應體相材料的獨特光、電、磁、熱等物理、化學性能，使得我們

2、通過設計合適的納米結(jié)構來實現(xiàn)高性能能源轉(zhuǎn)換與存儲器件的制備。更進一步，納米材料也為我們設計便攜式的柔性、超薄的能源轉(zhuǎn)換與存儲器件提供了可能。本論文以多元化合物的低維納米材料為研究對象，選取具有高光電轉(zhuǎn)換、電催化析氫和超級電容性能的材料，初步探討了它們結(jié)構與性能之間的關系，為新型能量轉(zhuǎn)換和存儲材料的設計提供了實驗和理論基礎。
　　本論文的研究工作主要包括以下三個方面的內(nèi)容:
　　1.作者首次通過液相自組裝的方法將CH3NH3P

3、bI3沉積在柔性ITO電極上，制備成柔性的光探測器件。自制器件的光探測范圍可以從紫外光區(qū)到整個可見光區(qū)，其中器件對780 nm和365 nm單色光的響應時間分別小于0.1秒和0.2秒，同時具有較高的靈敏度和優(yōu)異的光響應穩(wěn)定性等特點，其光響應性能遠遠超過目前大多數(shù)光探測器。進一步的，我們也對基于CH3NH3PbI3光探測器的光響應機理進行了研究。研究表明，肖特基勢壘在光生電子-空穴對的分離過程中起著重要作用。在無光照和外加偏壓情況下，器件

4、處于平衡狀態(tài)，這時在ITO電極和有機鉛碘化鉛鈣鈦礦膜或有機碘化鉛鈣鈦礦膜內(nèi)部產(chǎn)生肖特基勢壘;而在光照（能量大于半導體帶隙）和外加偏壓條件下，有機碘化鉛鈣鈦礦薄膜將吸收光子產(chǎn)生大量的電子-空穴對[hv→e-+h+]，同時肖特基勢壘產(chǎn)生的局部反向偏置電場不僅能夠迅速分離光生電子空穴對，而且還可以減少電子、空穴的再結(jié)合率，從而增加載流子的濃度。這一過程同時也會降低肖特基勢壘的有效高度，從而易于載流子的傳輸，顯著增強器件的導電性。此外，自制的光

5、探測器在反復彎曲變形后的光響應性能沒有明顯的變化，顯示出優(yōu)異的柔韌性和堅固性。該研究為開發(fā)低成本、易加工、高效的柔性光探測器提供了新的機遇。
　　2.作者首次通過有機鋰插層來剝離三元層狀化合物1-Cu2 WS4，得到厚度僅為0.8 nm的超薄納米片。與體相材料相比，剝離的I-Cu2WS4納米片具有大量暴露的表面原子、高的活性位點濃度和與電極基底接觸更加緊密等優(yōu)勢，進而表現(xiàn)出較之體相材料增強的電催化產(chǎn)氫性能，如其陰極電流密度比體相材

6、料提高了近74倍之多。我們通過理論計算對超薄納米片所呈現(xiàn)出的高產(chǎn)氫性能進行了分析，分析表明較之于體相材料，I-Cu2WS4納米片導帶邊緣處的態(tài)密度明顯增加，有利于在催化過程中電子的轉(zhuǎn)移，進而使得I-Cu2WS4超薄納米片的電催化析氫反應活性明顯提高。同時，通過對剝離后的I-Cu2WS4納米片的電催化析氫反應動力學過程的模擬，我們發(fā)現(xiàn)納米片中表面的硫原子起到析氫反應活性位點的作用。I-Cu2WS4超薄納米片具有非常穩(wěn)定的電催化產(chǎn)氫性能，在

7、2000個循環(huán)后，其電流密度仍未出現(xiàn)明顯的衰減。本工作把三元硫?qū)倩衔锏某〗Y(jié)構納入電催化研究領域，不僅豐富了二維超薄納米材料在電催化析氫領域的應用研究，同時也為設計新的電催化析氫反應催化劑以及催化活性位點的確立奠定了理論基礎。
　　3.基于對二硫化鎢2H半導體相在插入有機鋰剝離過程中轉(zhuǎn)變?yōu)?T金屬相的分析和認識，作者首次成功制備出厚度約為0.5 nm的金屬相WS2(1-x)Se2x三元超薄納米片，電阻測試表明WS0.5Se0.5

8、超薄納米片具有較好的導電性。通過真空抽濾法把超薄納米片組裝成取向性薄膜，并進一步組裝成基于WS2(1-x)Se2x超薄納米片薄膜的柔性全固態(tài)雙電層電容器，詳細研究了其在固態(tài)柔性超級電容器充放電過程中的性能。測試結(jié)果表明，三元WS2(1-x)Se2x納米片為電極材料的全固態(tài)柔性薄膜雙電層電容器顯示出高達60 F cm-2的面積比電容，且經(jīng)過2000次循環(huán)充放電后電化學性能未見明顯衰減。二維超薄結(jié)構同時也使器件具有良好的機械柔韌性，這對于柔