金属/金属氧化物纳米复合材料的制备及其光电应用
众所周知，金属氧化物是一类物理化学性能优良的半导体材料，在光学、光电子学、传感器、光催化、染料敏化太阳能电池等领域有重要的应用。金属氧化物由于其丰富的形貌、结构、可变的价态以及可调节的氧空穴浓度，这些为构造性能独特的新材料提供了广阔的空间。随着科学的发展，单独的金属氧化物已不能满足人们需求，因而将其与金属，其他半导体纳米材料，碳材料等复合，赋予了其崭新的性能，并大大拓展了其应用范围。其中贵金属如Au，Pt等具有良好的导电性和较高的可见光吸收能力，将其与金属氧化物复合后可以作为电子捕获剂不仅有效防止被激发后的电子与空穴复合，还可以作为光捕获剂显著增强金属氧化物对可见光的吸收，使得金属氧化物的光电性能更为优越，应用范围更广。其中，氧化锡(SnO2)和氧化铈(CeO2)因其优异的光电性质被认为是金属氧化物中最有应用前景的功能材料之一。鉴于它们在功能器件中的重要性，我们选取SnO2和CeO2这两种金属氧化物为研究对象，将这两种金属氧化物与贵金属复合并对它们的光电性能进行了深入研究。 全文的主要研究内容及研究结果如下： 1.采用一种简易的一步法合成了大小均一，分散均匀的Au-SnO2复合纳米球(HNSs)。该方法利用了还原性的Sn2+与氧化性的Au3+及溶解的氧气之间发生氧化还原反应，原位生成Au纳米颗粒(NPs)和SnO2纳米颗粒(NPs)。Au纳米颗粒不仅可以捕获电子，提高电子-空穴对的寿命，还可以增强可见光吸收强度，这些都有利于提高该复合物的光电化学性能。以半胱氨酸作为光电生物传感实验中的检测对象，实验结果表明构建的生物传感器对于半胱氨酸体现出优异的检测性能，即具有较宽的检测范围(0.4 mM-12mM)和较低的检测限(0.1mM)。因此这种光电性功能优良的Au-SnO2复合纳米球可以进一步拓展到光催化、光电传感器、以及其他光电应用领域。 2.采用溶剂热方法，在不添加任何表面活性剂条件下，制得了Au-SnO2复合纳米空心球。使用透射电镜和扫描电镜等对该纳米材料进行了表征测试，结果显示这种方法制得Au-SnO2复合纳米中空球尺寸约在130-180nm范围内，分散均匀。Au的掺杂可以与形成肖特基结，抑制电子返回到染料或电极上，因而增加作为电极的短路电流和光电转换效率，并且中空结构具有光散射和反射能力，提高其作为光阳极材料的光伏特性。因此，这种纳米复合材料具有较好的光电性能，可将其应用作为染料敏化太阳能电池(DSSCs)的光阳极。 3.采用乙醇，乙二醇，水等不同溶剂作为反应液，利用水热方法可控合成了不同形貌的CeO2纳米晶体。采用一步法得到球形多孔CeO2和八面体CeO2结构以及相应Pt-CeO2纳米复合材料。由于贵金属Pt本身具有良好的导电性，因而将其与CeO2复合后，能够进一步提高其催化活性。通过类过氧化物酶催化测试发现催化活性受形貌的影响较大，球形多孔CeO2催化活性比八面体CeO2高，球形的Pt-CeO2纳米复合材料的催化活性优于八面体的Pt-CeO2。
金属氧化物;纳米复合材料;光电性能;染料敏化太阳能电池;催化活性
南京邮电大学
硕士
光学
范曲立;沈清明
2014
中文
TN304.21
74
2015-07-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）