低維納米材料的合成、應(yīng)用與理論研究.pdf

1、本文主要開(kāi)展了三個(gè)方面的研究:1)研究了銦基(In2O3和ITO)納米線的合成以及材料表征;2)將納米線應(yīng)用到了燃料電池的研究中,觀察納米結(jié)構(gòu)對(duì)微生物燃料電池輸出特性的影響;3)利用第一性原理,對(duì)石墨烯和金屬氧化物的界面進(jìn)行了一些理論研究。
　　在第一部分中,我們使用Au納米顆粒為催化劑,以In金屬顆粒和氧氣為反應(yīng)源,采用VLS(vapor-liquid-solid)方法合成了單晶結(jié)構(gòu)的In2O3納米線。我們探索了不同溫度下的合成

2、,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,源區(qū)的溫度在800℃,反應(yīng)區(qū)的溫度在500℃時(shí)可以得到形貌較好的In2O3納米線。其直徑可以在20-100mm之間控制。我們利用了XRD,SEM和TEM的材料分析方法對(duì)其進(jìn)行了表征。電學(xué)測(cè)量的結(jié)果表明,In2O3納米線的電阻為4.4×105Ω。此外,我們還利用In和Sn的金屬顆粒與氧氣為反應(yīng)源,使用不同襯底,得到了直徑在100-200nm之間的ITO納米線。XRD的分析結(jié)果表明,在SiO2和FTO襯底上生長(zhǎng)的ITO納米線

3、具有不同的摻雜機(jī)理。對(duì)于前者而言,Sn是以間隙型雜質(zhì)存在于ITO納米線的晶格中,而對(duì)于后者,Sn是以替位性雜質(zhì)存在。在TEM下對(duì)ITO納米線作STEM分析,其結(jié)果表明,Sn的摻雜比率在5％左右。
　　論文的第二部分,我們構(gòu)造了微生物燃料電池,以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)中我們采用了綠膿桿菌為產(chǎn)電微生物,葡萄糖溶液為燃料,氧氣為電子接受者,對(duì)使用不同電極的燃料電池進(jìn)行性能的測(cè)量。在電池的陽(yáng)極部分,我們分別采用了平整的ITO玻璃,碳

4、纖維布和高密度的ITO納米線陣列作為電極。在陰極部分,則采用了負(fù)載有Pt納米顆粒的碳纖維布和負(fù)載Pt/RH納米顆粒的納米碳管陣列作為電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用納米結(jié)構(gòu)將有效提高燃料電池的功率密度。使用高密度ITO納米線陣列為陽(yáng)極,負(fù)載Pt/Ru納米顆粒的納米碳管做陰極的燃料電池可以達(dá)到64.46mW/m2的功率輸出,其內(nèi)電阻僅僅為4kΩ。
　　在論文的第三部分,我們利用第一性原理對(duì)單層石墨烯和金屬氧化物之間的界面做了理論研究。其結(jié)果