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《长沙理工大学》 2015年
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三维ZnO微纳米结构及ZnO/TiO_2复合微纳米结构的制备、表征及性能测试

李梦瑶  
【摘要】:本论文分别采用水热法、软模板法以及电化学沉积法制备了三维海胆状ZnO微纳米结构、形貌各异的三维ZnO微纳米结构以及三维海胆状ZnO/TiO_2微纳米结构。研究了不同的实验参数对三维形貌结构形成的影响,提出了可能的三维ZnO微纳米结构的生长机制以及三维海胆状ZnO/TiO_2微纳米结构的形成机理。研究结果如下:(1)采用一种新的软模板法,在单一氨水体系中,利用NaBH_4所产生的H_2气泡作为合成模板可控制备三维海胆状ZnO微纳米结构,主要探讨了NaBH_4浓度以及反应温度对ZnO微纳米结构形成的影响,优化实验条件,最佳NaBH_4浓度为48mmol,最佳反应温度为120℃。同时探讨其作为光阳极材料在染料敏化太阳电池中的应用,此种制备方法可以有效解决由于模板而引入杂质以及模板去除等问题。与此同时,提出了一种可能的三维海胆状微纳米结构ZnO的生长机制。(2)采用水热法,在辅助剂的诱导下,制备出不同形貌的三维ZnO微纳米结构,分别为纳米针组装而成的花状ZnO、纳米棒组装而成的海胆状ZnO以及细小纳米片组装而成的球状ZnO微纳米结构,重点探讨了不同辅助剂对ZnO纳米晶型生长的影响,旨在寻求一种适当的辅助剂可控合成晶型完美的三维ZnO微纳米超结构。我们还研究分析不同形貌的ZnO微纳米结构作为光阳极对于染料敏化太阳电池的光电转化效率的影响,分析比较不同形貌三维ZnO的光电性能,其中以纳米棒组装而成的三维海胆状ZnO微纳米结构最优,光电转化效率为2.37%。(3)采用一种电化学沉积法制备三维海胆状ZnO/TiO_2复合微纳米结构,主要探讨了反应温度和TiO_2:ZnO对ZnO/TiO_2复合结构形貌的影响,实验结果表明当反应温度为130℃,TiO_2:ZnO=2:1时‘可制备出较为理想的三维海胆状ZnO/TiO_2复合微纳米结构。在静电吸引理论的基础上,我们提出了一种可能的形成机制解释复合结构的形成。同样我们也研究了海胆状ZnO/TiO_2复合微纳米结构的光电性能,I-V曲线显示染敏电池的短路电流、开路电压、填充因子和光电转化效率分别为7.08m A/cm2、0.765V、51.6%、2.79%。ZnO/TiO_2复合微纳米结构作为光阳极时的光电转化效率相较于海胆状ZnO提高了17.7%。
【关键词】:三维海胆状ZnO ZnO/TiO_2复合结构 生长机理 染料敏化太阳电池
【学位授予单位】:长沙理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TQ132.41;TB33
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 第一章 绪论12-26
  • 1.1 前言12-13
  • 1.2 ZnO与TiO_2的基本性质及ZnO/TiO_2复合结构的优点13-17
  • 1.2.1 ZnO的基本性质13-15
  • 1.2.2 TiO_2的基本性质15-16
  • 1.2.3 ZnO/TiO_2复合结构的优点16-17
  • 1.3 ZnO/TiO_2复合结构的研究现状及制备方法17-22
  • 1.3.1 ZnO/TiO_2复合结构的研究现状与应用前景17-19
  • 1.3.2 ZnO/TiO_2复合结构的制备方法概述19-22
  • 1.4 实验表征与测试手段22-25
  • 1.4.1 扫描电子显微镜( SEM)22
  • 1.4.2 透射电子显微镜( TEM)22-23
  • 1.4.3 X射线衍射( XRD)23
  • 1.4.4 紫外 -可见漫反射光谱( UV)23-24
  • 1.4.5 电化学工作站测试I-V曲线24-25
  • 1.5 论文研究的主要内容及意义25-26
  • 1.5.1 研究的主要内容25-26
  • 1.5.2 研究意义26
  • 第二章 一种简单的软模板法制备三维海胆状ZnO微纳米结构26-36
  • 2.1 引言26-27
  • 2.2 三维海胆状ZnO微纳米结构的制备及表征27-29
  • 2.2.1 实验试剂及仪器设备27-28
  • 2.2.2 实验方案设计及实验过程28-29
  • 2.2.3 结构表征与性能测试29
  • 2.3 结果与讨论29-35
  • 2.3.1 NaBH_4对三维海胆状ZnO微纳米结构形成的影响29-30
  • 2.3.2 反应温度对三维海胆状ZnO微纳米结构形成的影响30-32
  • 2.3.3 软模板法制备三维海胆状ZnO微纳米结构的机理分析32-34
  • 2.3.4 三维海胆状ZnO微纳米结构在染料敏化太阳电池中应用比较分析34-35
  • 2.4 本章小结35-36
  • 第三章 不同形貌的三维ZnO微纳米结构的制备及光电性能比较分析36-43
  • 3.1 引言36
  • 3.2 三维海胆状ZnO微纳米结构的制备与表征36-38
  • 3.2.1 实验试剂及仪器设备36
  • 3.2.2 实验方案设计及实验过程36-37
  • 3.2.3 结构表征与性能测试37-38
  • 3.3 结果与讨论38-42
  • 3.3.1 不同形貌三维ZnO微纳米结构的SEM与TEM表征图分析38-39
  • 3.3.2 不同形貌三维ZnO微纳米结构的XRD表征图谱分析39-40
  • 3.3.3 不同形貌三维ZnO微纳米结构的光电性能比较分析40-42
  • 3.4 本章小结42-43
  • 第四章 电化学沉积法合成三维海胆状ZnO/TiO_2复合微纳米结构43-54
  • 4.1 引言43
  • 4.2 三维海胆状ZnO/ TiO_2微纳米结构的制备及表征43-46
  • 4.2.1 实验试剂及仪器设备43-44
  • 4.2.2 实验方案设计及实验过程44-45
  • 4.2.3 结构表征与性能测试45-46
  • 4.3 结果与讨论46-53
  • 4.3.1 反应温度对复合微纳米结构形成的影响46-47
  • 4.3.2 前驱体比例对复合微纳米结构形成的影响47-49
  • 4.3.4 三维海胆状ZnO/TiO_2复合微纳米结构的XRD和EDS表征图谱分析49-51
  • 4.3.5 三维海胆状ZnO/TiO_2复合微纳米结构的形成机理51-52
  • 4.3.6 三维海胆状ZnO/TiO_2复合微纳米结构在染料敏化太阳电池中应用52-53
  • 4.4 本章小结53-54
  • 第五章 结论与展望54-56
  • 参考文献56-62
  • 致谢62-64
  • 附录A(攻读学位期间发表的论文)64-65
  • 附录B65

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