一維納米材料的制備及在新能源中的利用.pdf

1、隨著當(dāng)代工業(yè)的迅速發(fā)展和人口的持續(xù)增長(zhǎng)，人類生活對(duì)電能的需求急劇增加，電能的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存變得越來(lái)越重要。電能可以從煤炭、風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等各種能源轉(zhuǎn)換。在各種各樣的能源中，太陽(yáng)能作為一種新型的能源因其突出的優(yōu)勢(shì)而引起研究者的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如取之不盡、用之不竭、安全無(wú)污染、且成本低、不受地域限制，所以對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用更引人矚目。然而太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成的電能最終要被儲(chǔ)存起來(lái)才能被各種電子設(shè)備所使用，所以開(kāi)發(fā)先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)也顯得

2、尤為重要。鋰離子電池是先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的代表之一，近年來(lái)也因其顯著的優(yōu)越性而成為目前最有前景的儲(chǔ)能手段之一。鋰離子電池具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、自放電低、無(wú)記憶效應(yīng)、放電電壓高。所以太陽(yáng)能電池和鋰離子電池的發(fā)展對(duì)電能在實(shí)際中的應(yīng)用都發(fā)揮著舉足輕重的作用。
　　無(wú)論是太陽(yáng)能電池還是鋰離子電池，所使用的電極材料都是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵與核心，它直接影響電池的性能，所以開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的電極材料是制備高性能電池的關(guān)鍵。對(duì)于電極材料本身

3、來(lái)說(shuō)，納米結(jié)構(gòu)、微觀形貌、比表面積、表面修飾等對(duì)其性能都有著重要的影響。在各種形貌結(jié)構(gòu)的電極材料中，一維納米材料有著獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。一維納米結(jié)構(gòu)電極材料將電子的傳輸限制在特殊的維度上，避免了電子在諸多顆粒晶界處的傳輸阻力。本論文的工作主要包括采用多種方法制備了一維ZnO超長(zhǎng)多孔納米帶、ZnO疊層納米線以及一維鈣鈦礦型復(fù)合氧化物（SrSnO3納米棒和C@CaSnO3納米管），并將超長(zhǎng)ZnO多孔納米帶、ZnO疊層納米線分別用于染料敏化

4、太陽(yáng)能電池(DSSC)和量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSSC)的光陽(yáng)極;將SrSnO3納米棒和C@CaSnO3納米管用于鋰離子電池的負(fù)極。另外，研究了這些一維結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響。具體的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.成功獲得了一種具有等級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO超長(zhǎng)多孔納米帶，并得到了效率較高的DSSC。首先采用水熱法直接在FTO玻璃上制備了單晶ZnFOH超長(zhǎng)納米帶陣列薄膜，得到的單晶納米帶長(zhǎng)度達(dá)到32μm，而且密度較大。在單晶ZnFOH超長(zhǎng)納米帶陣列

5、的生長(zhǎng)過(guò)程中，NH4F的加入起著重要的作用。NH4F控制著整個(gè)生長(zhǎng)溶液的超飽和度，并作為ZnFOH納米帶定向生長(zhǎng)的形貌控制量。通過(guò)后續(xù)的熱處理，得到了超長(zhǎng)ZnO多孔納米帶陣列薄膜。通過(guò)SEM、TEM等手段對(duì)樣品進(jìn)行形貌和結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示該膜具有極大的內(nèi)表面積，同時(shí)HRTEM觀察表明構(gòu)成薄膜的單根納米帶具有一種近似單晶的結(jié)構(gòu)。把制備的超長(zhǎng)ZnO多孔納米帶陣列薄膜應(yīng)用于DSSC，在膜厚為27μm時(shí)獲得了3.28％的光電轉(zhuǎn)換效率。該等級(jí)薄膜

6、是一種合適的DSSC光陽(yáng)極材料。
　　2.首次構(gòu)筑了CdS和CdSe量子點(diǎn)的分區(qū)有序負(fù)載ZnO納米線的雙層復(fù)合QDSSC，并研究了其光電性能。采用“嫁接生長(zhǎng)”ZnO納米線的方法在FTO基底上制備了CdS和CdSe量子點(diǎn)的分區(qū)有序負(fù)載ZnO納米線的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種雙層的分區(qū)敏化結(jié)構(gòu)大大提高了對(duì)太陽(yáng)光的捕獲量，并且有助于光生電子快速傳輸?shù)交?。光電測(cè)試結(jié)果顯示CdS/CdSe分區(qū)有序敏化ZnO納米線的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極的光電性能要遠(yuǎn)

7、遠(yuǎn)好于CdS單獨(dú)敏化ZnO納米線陣列光陽(yáng)極。
　　3.成功合成了SrSnO3納米棒鋰離子電池電極。首先采用超聲共沉淀的方法制備了SrSn(OH)6納米線，在SrSn(OH)6納米線的形成過(guò)程中，超聲和Na2CO3的加入直接影響著SrSn(OH)6的形貌和晶化過(guò)程。經(jīng)過(guò)后續(xù)的溶劑熱反應(yīng)和熱處理，最終獲得SrSnO3納米棒。將SrSnO3納米棒作為鋰離子電池負(fù)極材料，并研究了其電化學(xué)性能。SrSnO3納米棒的循環(huán)穩(wěn)定性比顆粒要好，在5

8、0次循環(huán)后，仍然保留了200mAhg-1的容量，比初始容量容量?jī)H衰減了50mAhg-1。
　　4.制備了碳包覆的CaSnO3納米管(C-CTONTs)鋰離子電池電極。采用無(wú)水乙醇和去離子水的混合溶劑熱處理CaSn(OH)6納米管前驅(qū)體而直接獲得了C-CTONTs。該種方法簡(jiǎn)單、便捷。這種混合溶劑熱方法提高了C-CTONTs的熱穩(wěn)定性，通過(guò)后續(xù)的熱處理，成功得到了結(jié)晶良好的C-CTONTs。以C-CTONTs作為鋰離子電池的負(fù)極材料