面向光催化和光伏器件的氧化鋅納米線制備與集成.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙半導(dǎo)體材料，它具有較寬的帶隙和較高的激子結(jié)合能。納米結(jié)構(gòu)的ZnO具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、氣敏和光催化氧化等特性，在透明電極、發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、紫外探測(cè)器、壓電器件、聲表面波器件、氣敏傳感器、光催化降解等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是ZnO納米材料作為一種高效、無毒、價(jià)格低廉的光催化劑，在光催化降解有機(jī)污染物和礦化環(huán)境污染物等領(lǐng)域備受關(guān)注。同時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的ZnO具有高的比表面積、高的電子遷移率、

2、對(duì)可見光透明、納米形貌豐富等特點(diǎn)，成為染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員在ZnO納米材料的結(jié)構(gòu)和特性等方面開展了大量的研究工作，但在器件化和實(shí)用化方面，仍存在許多的問題需要解決，比如工藝的集成性和重復(fù)性較低，工藝過程復(fù)雜且成本較高等。因此，研究ZnO納米材料的制備方法，將其與微納米加工技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的新型器件，探索微觀結(jié)構(gòu)與器件性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，具有十分重要的意義。
　　本論文研究工作主要以

3、一維ZnO納米線為研究對(duì)象，將其與傳統(tǒng)的微加工和微流體等技術(shù)相集成，重點(diǎn)研究其在光催化和光伏電池中的應(yīng)用問題。圍繞此內(nèi)容，具體開展了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)通過采用溶膠-凝膠工藝與旋涂工藝相結(jié)合的方法在硅基底上制備了高質(zhì)量的ZnO種子層，從而對(duì)水熱法合成ZnO納米線的工藝進(jìn)行了改進(jìn)。利用該方法制備的ZnO種子層是由粒度均勻的ZnO納米顆粒構(gòu)成，具有明顯的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和良好的c軸擇優(yōu)取向，而且對(duì)設(shè)備要求不高、工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好

4、，滿足了大面積制備ZnO納米線的需要;研究了生長(zhǎng)液中的不同添加劑的含量以及生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)納米線形貌的影響，結(jié)果表明，氨水和聚醚酰亞胺(PEI)對(duì)于獲得高長(zhǎng)徑比的納米線具有直接的影響，而隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，ZnO納米線快速且近乎呈線性的增長(zhǎng);通過將改進(jìn)的水熱法與光刻工藝相結(jié)合制備了長(zhǎng)且垂直對(duì)準(zhǔn)的ZnO納米線陣列，并明顯改善了納米線的底部融合問題，從而有利于將ZnO納米線集成到實(shí)用化器件之中。
　　(2)提出了一種面向光催化應(yīng)用的新型微流

5、體反應(yīng)器。通過采用水熱法與光刻工藝相結(jié)合的方法在玻璃基底上制備了大面積垂直對(duì)準(zhǔn)的ZnO納米線，然后利用軟光刻技術(shù)制備了帶有微流體溝道的PDMS殼體，將兩者鍵合形成一個(gè)平面微流體反應(yīng)器;ZnO納米線作為固定型光催化劑，具有明顯的纖鋅礦結(jié)構(gòu)以及良好的紫外吸收特性，同時(shí)也避免了催化劑從處理后的溶液中分離回收的難題;通過光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)對(duì)微流體反應(yīng)器的光催化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該反應(yīng)器具有穩(wěn)定而高效的光催化性能，通過對(duì)ZnO納米線

6、退火以及染料溶液沖洗等預(yù)處理均能有效地增強(qiáng)反應(yīng)器的光催化能力;與其它對(duì)照實(shí)驗(yàn)相比，該平面微流體反應(yīng)器也顯示出了優(yōu)異的光催化性能?？梢?，該反應(yīng)器具有制備工藝簡(jiǎn)單，光催化效率高，適合于規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，它具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　(3)研究了鈀摻雜對(duì)ZnO納米纖維的光催化增強(qiáng)效應(yīng)。以聚乙烯吡咯烷酮為纖維模板、醋酸鋅/氯化鈀為前驅(qū)體、一定體積比的乙醇/醋酸/水等為混合溶劑，利用靜電紡絲技術(shù)制備了復(fù)合納米纖維;通過在600℃下煅

7、燒2小時(shí)得到了鈀摻雜的ZnO納米纖維，它們是具有超高長(zhǎng)徑比的納米線;利用SEM、TEM、XRD和FTIR等技術(shù)對(duì)ZnO納米纖維的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了表征，測(cè)試結(jié)果表明，煅燒后的納米纖維呈纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由幾納米到幾十納米的晶粒構(gòu)成，由于鈀摻雜量相對(duì)較小，其未對(duì)納米纖維的形貌產(chǎn)生明顯影響;通過光催化降解亞甲基藍(lán)，實(shí)驗(yàn)研究了鈀摻雜對(duì)ZnO納米纖維的光催化性能的影響，結(jié)果表明，與純ZnO納米纖維相比，一定量的鈀摻雜可以顯著提高其光催化性能，并分析了可

8、能的影響機(jī)制。
　　(4)研究了ZnO納米線形貌和微流體電解質(zhì)對(duì)光伏器件性能的影響。結(jié)合水熱法和光刻工藝在FTO玻璃基底上制備了垂直對(duì)準(zhǔn)的ZnO納米線，對(duì)比研究了定時(shí)更換生長(zhǎng)液對(duì)ZnO納米線形貌的影響，結(jié)果表明，定時(shí)更換生長(zhǎng)液對(duì)于提高納米線的生長(zhǎng)速率以及獲得高長(zhǎng)徑比的納米線非常重要;研究了納米線長(zhǎng)度對(duì)光伏器件性能的影響，測(cè)試結(jié)果表明，隨著納米線長(zhǎng)度增加，光伏器件的性能不斷提高，這主要?dú)w因于納米線上染料吸附量的增加;首次將微流電解質(zhì)