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39120字硕士毕业论文石墨烯复合材料的制备及其在光电转换中的应用

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39120字
论点:石墨,复合物,制备
论文概述:

本文以氧化石墨烯为原料,分别采用简单有效的还原方法制备了可控化还原的石墨烯、Pt/石墨烯复合物以及石墨烯/TiO2复合物等三种材料,考察材料的结构与性能的关系,并将制备得到的材料应

论文正文:

第一章导言

20世纪以来,随着全球经济的快速发展和人口的快速增长,世界各国对能源的需求日益增加,传统的化石能源资源已经枯竭。此外,大量使用化石能源造成的温室气体和有害气体的排放已经急剧恶化了人类的生活环境。进入21世纪,日益严重的环境污染和能源消耗严重制约着人类社会的发展。新能源的开发利用已经成为人们关注的焦点。在许多新能源中,太阳能的利用是最有前途的。太阳能是地球上所有能源的最终来源,具有分布广、资源量大、无污染的特点。太阳辐射到地球表面的能量每年约为31024焦耳,是全球年能耗的10000多倍。这种能源的有效利用将大大缓解环境污染和能源短缺与经济发展之间的矛盾。太阳能利用的主要形式有光热利用、光化学转换和光电转换。光热利用具有成本低、利用效率高的优点。由于热能传递不便,只能就地或近距离使用。光化学转换最原始的形式是光合作用,它在自然界中无处不在,但人类目前正在探索其机制。光电转换以电能为最终表现形式,具有前两者无可比拟的优势,如传输方便、通用性强、可储存性强。然而,在利用光电转换技术实现太阳能利用的过程中,仍然存在光电子和空腔容易重组、光电材料光响应范围窄、太阳能电池成本高等问题。因此,寻找新的材料和技术来促进光电转换技术的发展是当前这一方向的重要研究课题。2004年,英国科学家成功制备了一种新的纳米碳材料——石墨烯。石墨烯由于其特殊的纳米结构和独特的物理性质,已经成为物理、化学和材料科学等许多领域的热门话题。近年来,石墨烯及其复合材料在光电转换领域的应用引起了环境科学研究者的关注。本文首先针对现有制备方法的不足,提出了几种简单的石墨烯及其复合材料的制备方法,然后重点讨论了这些复合材料的结构及其在光电转换技术中的应用。

1.1石墨烯材料简介

1.1.1石墨烯的结构
2004年,曼彻斯特大学的海姆·阿·克教授及其研究团队首次成功制备石墨烯。他们用胶带反复撕开石墨片,从而获得一种新的碳纳米材料——石墨烯[1]。石墨烯的理论厚度为0.34纳米,可视为各种其他碳材料的基本组成单元(如图1-1所示):零维富勒烯是通过在晶格中卷曲具有五元环和六元环的石墨烯而形成的;一维碳纳米管可以被视为卷成圆柱体的石墨烯。同时,石墨可以被看作是通过堆叠和相互作用大量石墨烯片而形成的三维碳材料[2]。石墨烯是具有由碳原子组成的蜂窝结构的二维晶体,其中每个碳原子的S、PX和PY轨道共同形成sp2杂化结构,从而形成以120度的键角连接到平面中其他三个碳原子的三个键。每个碳原子的PZ轨道参与杂化并相互平行,因此一个单独的电子可以与平面中的其他碳原子形成大的键,轨道中的电子可以在石墨烯中自由移动。这种结构使得石墨烯具有良好的电子迁移率和优异的导电性。

1.1.2石墨烯的性质
石墨烯具有许多独特的物理性质,如:高机械性能(~1100 GPa)、高热导率(~ 5000 WM-1K-1)、大比表面积(理论计算值2630M2G)、良好的热稳定性和铁磁性等。[3-5]。此外,尽管石墨烯是已知材料中最薄的,只有一个碳原子的厚度,但它的强度大于金刚石。石墨烯的电子结构和电学性质也非常独特。价带和导带在其能带结构中相交于费米能级的六个顶点,因此石墨烯可以被视为没有能隙的半导体
第二章实验材料和方法。石墨烯中每个碳原子的PZ轨道上的未束缚π电子可以在其层状结构中自由移动,从而使石墨烯具有非常高的导电性,成为导电性已知的最优秀的材料,其中电子的移动速度可以达到光速的3/1000,超过所有其他半导体材料中电子的移动速度
2.1实验试剂和仪器
2.1.1实验试剂
以天然鳞片石墨为原料,用悍马法[28]制备氧化石墨。将23毫升浓硫酸放入置于冰浴中的200毫升烧杯中,向烧杯中加入0.5克石墨和0.5克纳米3,搅拌均匀后缓慢加入3克高锰酸钾粉末,控制反应温度不超过10℃,搅拌均匀后,将溶液放入35℃恒温水浴罐中,搅拌4小时..向溶液中缓慢加入40毫升去离子水,将水浴温度调节至98℃,搅拌30分钟。最后,向反应物中依次加入100毫升去离子水和3毫升30% 30% H2O2以终止反应,反应物从棕色变为黑色再变为亮黄色。离心洗涤反应溶液,超声剥离含有氧化石墨的洗涤溶液30分钟,以1000转/分钟离心除去未剥离的氧化石墨,以3000转/分钟离心10分钟,干燥得到氧化石墨烯粉末。。

[6]

[7]

2.2抗反射层的制备
小粒径二氧化钛2的制备:将12 g乙酸加入到58.6 g钛酸四丁酯中,在室温下搅拌15分钟,然后加入到290毫升去离子水中,此时产生白色沉淀,同时剧烈搅拌1小时以将其完全水解。加入4毫升浓硝酸,水浴加热至80℃,糊化75分钟。液体冷却后,加水至370毫升,然后放入500毫升高压反应釜中,在200℃反应12小时..冷却后,加入2.4毫升65%硝酸,通过超声波和搅拌使混合物均匀分散。用无水乙醇洗涤三次后,旋转并蒸发混合物,直至完全干燥,从而获得粒径约为20纳米的二氧化钛粉末。大粒径二氧化钛是市售的粒径约为400纳米的二氧化钛。抗反射层溶胶的制备:将小粒径二氧化钛和大粒径二氧化钛按一定比例混合均匀,混合物重量为1克。将0.22克乙基纤维素用20毫升乙醇溶解后,将二氧化钛粉末直接倒入乙基纤维素溶液中,搅拌均匀后加入2毫升松油醇,再搅拌均匀。将溶胶旋转蒸发至一定浓度,得到抗反射层溶胶。

第三章原位光电还原制备石墨烯电极的研究.......35
3.1纳米二氧化钛多孔薄膜光阳极的表征.......36
3.1.1扫描电子显微镜分析........36
3.1.2 X光衍射分析.......36
3.2纳米二氧化钛多孔薄膜光阳极结构的优化.........37
3.3石墨烯电极的制备....41
3.3.1原位光电还原法......41
3.3.2原位光电还原结果......42
3.4石墨烯电极的表征....46
3.5机制讨论........51
3.6本章摘要........52
第4章铂/石墨烯纳米复合材料的制备....53
4.1铂/石墨烯纳米复合材料的制备....54
4.2铂/石墨烯纳米复合材料的表征....62
4.2.1扫描电子显微镜分析........62
4.2.2拉曼光谱分析........64
4.2.3 x射线光电子能谱分析.......65
4.3纳米铂/石墨烯复合电极电化学性能.........68
4.4纳米铂/石墨烯复合电极染料敏化机理探讨.......70
4.5........71
4.6本章摘要........72
石墨烯/二氧化钛复合材料的制备.......73
5.1石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法.......74
5.2石墨烯/二氧化钛复合膜制备条件的优化.......74
5.3石墨烯/二氧化钛复合材料的表征.......80
5.4石墨烯/二氧化钛复合材料的性能研究.......91
5.5复合材料制备机理探讨........95
5.6本章摘要........96

结论

本研究的主要结论如下:
(1)利用染料敏化太阳能电池的结构,通过原位光电还原制备了RGO电极。该方法具有绿色、快速的特点,尤其是还原程度可控。首先,优化了DSSC中纳米二氧化钛薄膜的结构。通过添加抗反射层和水解四氯化钛改性,提高了DSSC光阳极的性能,为进一步原位还原提供了结构基础。用拉曼光谱、XPS和红外光谱对还原前后的RGO结构进行了表征和分析。发现RGO碳氧比显著增加,表面含氧基团数量显著减少,表明氧化石墨烯可以通过原位电化学还原还原。本发明不仅避免了高温和有毒有害还原剂的使用,还可以通过控制还原时间和替代电解液中的氧化还原电来调节RGO的还原程度,从而获得不同带宽的RGO电极,在光电转换技术中发挥重要作用。以氯铂酸和氧化石墨烯为原料,采用同步电化学沉积还原法制备了
(2)铂/RGO复合薄膜电极。通过实验优化得到了最佳制备条件:电沉积电压为3 V,电沉积时间为30 min,电解液酸碱度为3.0,氯铂酸与氧化铂的质量比为0.04,电解液中氧化铂的浓度为1.0毫克/毫升。扫描电镜观察结果表明,RGO和纳米铂颗粒均匀分散并沉积在FTO基底上。拉曼光谱和XPS分析表明,氧化石墨烯和氯铂酸在电沉积过程中分别还原成RGO和纳米铂颗粒,后者通过铂(ⅱ)和铂(ⅳ)与RGO表面的含氧基团键合固定在RGO表面。通过伏安和交流阻抗分析发现,与用同样方法制备的铂薄膜电极相比,铂/RGO复合薄膜具有更快的电子转移速率和更小的电荷转移电阻,这使得铂/RGO复合材料具有更大的催化活性。将该复合材料组装成染料敏化电池中的反电极时,测试表明电池效率可达4.85%,比铂电极电池高36.2%。以上结果表明,本文采用的同步电化学沉积法是制备铂/RGO复合材料的一种简单有效的方法。该方法制备的复合膜具有较高的催化活性,在染料敏化太阳能电池等各种光电转换技术中具有广阔的应用前景。采用水热法成功制备了
(3)聚乙烯吡咯烷酮改性石墨烯/二氧化钛复合材料。以复合电极在紫外光下的光电转换性能为主要指标,对石墨烯/二氧化钛复合材料的制备条件进行了优化:二氧化钛与石墨烯的质量比为16,旋涂厚度为8层,旋涂过程中进行干燥处理,水热处理前加入与氧化石墨烯质量相同的聚乙烯吡咯烷酮, 通过表征发现,聚乙烯吡咯烷酮与石墨烯之间的非共价相互作用使得石墨烯在水热反应体系中的分散更加均匀。 聚乙烯吡咯烷酮的桥联效应促进石墨烯和纳米二氧化钛颗粒之间钛氧碳键的形成。结合态的出现有助于促进光生电子从二氧化钛颗粒向石墨烯的转移,从而显著提高复合材料的光电转换性能。实验证明该复合膜具有一定的可见光响应性能,表明石墨烯的存在拓宽了二氧化钛的光响应范围。石墨烯比表面积大、导电性好、透光率高,因此该复合材料的光催化活性明显高于纳米二氧化钛。

参考
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