蝶翅分級結構功能氧化物的制備與耦合性能探索研究.pdf

1、材料是人類文明的物質基礎，現代高科技的迅猛發(fā)展對材料的性能提出了更多更高的要求。材料的性能不僅取決于其化學組分，更與其自身的結構，特別是從宏觀到微觀的分級結構密切相關。同一組分，不同結構的材料往往表現出截然不同的性能特征。因此材料分級結構與性能之間的耦合效應是當前材料科學領域中新興和備受關注的重要研究領域之一。一方面對已有材料的結構及其性能進行研究表征，另一方面不斷設計制備具有新的優(yōu)越性能的分級結構材料。在材料分級結構的設計研究中，自然

2、給了我們很多優(yōu)秀范例與深刻啟迪。長期的進化過程中，自然界生物形成了多種復雜的分級精細結構。生物體以最經濟、最優(yōu)化的方式構筑和組合了維持它們生存、生長的結構和組分。同時，這些豐富的分級精細結構與其材質相互耦合，呈現了結構功能的一體化。 蝴蝶翅膀正是這樣一種利用其自身分級精細結構實現各種優(yōu)異性能的典型實例。這些以甲殼素為主要成分的蝶翅結構不僅具有所適配的機械強度及自清潔的表面性質，同時形成蝶翅的甲殼素薄膜與填充期間的空氣具有不同的折

3、射率，對入射的光線產生散射、干涉、衍射乃至光子晶體等光學作用，使得蝶翅能夠呈現出不同的顏色，滿足其求偶捕食等生存需要。除了顏色的變化，某些蝶翅鱗片還具有特殊的捕捉光的能力。蝶翅以簡單的組分，復雜多變的分級結構實現了其賴以生存的各種功能，而這些復雜分級結構目前是人類無法精確制備和實現的。這些結構不僅對蝴蝶本身有著重要的生物意義，更給了材料研究很多新的啟發(fā)與指導。以這些具有特殊多級精細微觀結構的蝶翅為模板，基于遺態(tài)材料的制備思想，人工變更其

4、組分，將甲殼素基體替換為各種具有優(yōu)越物理特性的其他組分，就可以合成各種兼具原始蝶翅分級結構與新組分特性的新材料，使材料達到既具有原始蝶翅的分級結構，同時由于組分的替換產生了新的性能，達到一種“形似而神高”的境界。而對這些結構進行模擬計算，則可以預測出轉變?yōu)椴煌M分后可能獲得的新性能，為進一步的深入研究提供了理論指導和應用途徑。 本研究選用具有精細分級結構的蝶翅作為生物模板，以氧化鋅和二氧化鈦功能材料為例，合成了一系列具有蝶翅分級

5、結構的氧化物材料。首先研究制備過程中各種工藝參數對于自然精細分級結構與形態(tài)的保真性、成分轉變可控性的影響規(guī)律，并對制備得到的蝶翅結構遺態(tài)氧化鋅和二氧化鈦材料的性能進行了研究，同時通過對蝶翅結構的計算模擬進一步地研究蝶翅結構與性能之間的耦合關系。并在此基礎上，通過工藝的改進將蝶翅的多級精細結構制備成染料敏化太陽能電池光陽極，并探討了具有多級精細結構改善染料敏化太陽能電池光陽極效率的可行性和機理，為今后分級結構和材料特性的耦合效應來設計和提

6、高染料敏化太陽能電池的性能提供了方法，主要研究內容和結果如下： 1.針對原始蝶翅成分及其熱分解性能的分析，設計優(yōu)化和確立了針對甲殼素基體的遺態(tài)功能氧化物的制備方法。經過對蝶翅基體的前處理，合適配方與濃度前驅體的配制，浸漬環(huán)境參數(溫度，時間等)的調節(jié)。特別是浸漬后干燥及燒結工藝，根據蝶翅模板與前驅體成及浸漬后蝶翅模板的熱分解規(guī)律的研究，提出了分步燒結工藝方法來制備蝶翅結構遺態(tài)材料。采用這一燒結工藝不僅提高了蝶翅結構遺態(tài)材料的燒得

7、率，同時改善了其微觀結構的完好性，將原始蝶翅結構僅完美地保留在遺態(tài)功能氧化物之中。由于這一方法針對蝶翅主要成分為甲殼素進行設計，所以推廣至其他甲殼素基遺態(tài)材料的制備中。 2.針對尺度在微米級的蝶翅鱗片，采用顯微光學研究方法，研究不同顯微結構對于其顯微反射譜線的影響。本章研究，通過實驗證實了色素色與結構色之間的差異，同時考察結構色鱗片不同位置的顏色差異。分析結果發(fā)現顯示結構色的鱗片，不同位置顯示不同的顏色，其鱗片內部、外部及鱗片相

8、互疊加處顯示的顏色均有所不同，這些發(fā)現一方面證實了蝶翅結構與光之間存在的耦合效應，另一方面指導蝶翅模型的建立與光學特性的模擬。 3.在研究和分析多種蝶翅顯微結構特征的基礎上，建立了蝶翅結構的二維復格子模型?；趪栏耨詈喜ǚ椒ǎ嬎隳M了本研究工作中涉及的各種具有交叉格子結構鱗片的光學特性，模擬計算的結果與實驗數據有較好的擬合性。在此基礎上，進一步的并對各種結構參數(包括窗口大小以及翅脊與翅肋的寬度)以及基體折射率對于模型的光反射

9、譜線的影響規(guī)律進行了探討。利用模擬計算得到的蝶翅多級精細結構與光之間的耦合關系可以為進一步設計優(yōu)化具有類蝶翅結構，既具有交叉格子結構的光功能器件提供理論參考依據。 4.制備了具有不同種多級精細結構的氧化鋅蝶翅遺態(tài)材料，分析其顯微結構發(fā)光性能。在對結構參數計量分析和研究的基礎上，探討了其不同于一般氧化鋅材料的發(fā)光機制。研究結果表明蝶翅顯微結構與氧化鋅基體的耦合效應影響了其發(fā)光特性，其機理是由于蝶翅內部顯微結構形成的微諧振腔導致的隨

10、機激發(fā)現象調控了氧化鋅的發(fā)光性質。蝶翅結構的氧化鋅材料，不僅可以影響原有發(fā)光峰的強度，特別是黃綠色波段(500-600nm)激發(fā)光，還可以改變發(fā)光峰的位置，如在某些蝶翅結構氧化鋅材料中發(fā)現了發(fā)光峰藍移的現象。 5.鑒于上述研究基礎并結合光生伏打效應，本研究在相當完整制備多級精細蝶翅結構的基礎上，進一步優(yōu)化工藝。將具有蝶翅結構的二氧化鈦制備于導電玻璃表面上，制備出了染料敏化太陽能電池光陽極。制備得到的蝶翅結構光陽極具有高于普通多孔

11、二氧化鈦的光吸收曲線，在可見光區(qū)域的平均吸收率增加超過300％，使其具有較高的光捕獲性能，從而增加了光載流子產生的幾率。進一步的氮吸附與壓汞儀檢測結果表明蝶翅結構的光陽極結構具有較高的比表面積和良好的孔徑分布，這些都有利于染料的吸附加載與再生。綜合這些性能，可以推論具有蝶翅結構的光陽極在光捕獲性能、染料吸附性能有著優(yōu)于普通多孔二氧化鈦薄膜光陽極的特性，這一研究結果為今后利用分級結構和材料特性的耦合效應來設計和提高染料敏化太陽能電池的結構