超薄二硫化钼纳米片阵列的光学及能量转换特性研究

摘要

石墨烯的发现推动了二维层状材料的蓬勃发展，而具有类石墨烯结构的二维层状材料 MoS2也得到研究人员的广泛关注。纳米 MoS2呈现出区别于体材料全新的物理、化学性质，使其在光学、电子学、催化、新能源等相关领域有潜在应用价值。随着 MoS2在各领域研究的深入，对MoS2的导电性、催化性、结构稳定性等性能提出了更苛刻的要求。通过对MoS2进行复合和改性，改善其导电性、结构稳定性和催化特性等成为了纳米材料领域的研究热点。
　　本论文旨在探索一种简易、高效且具有普适性的合成方法制备MoS2纳米片阵列。为满足 MoS2在不同应用领域的要求，制备了一系列具有导向性功能的超薄 MoS2纳米片阵列复合材料。详细研究了其非线性光学、锂离子电池和电催化制氢特性。本论文的主要研究内容如下：
　　1基于石墨烯具有的共轭π电子结构以及 MoS2具有可见光波段较强的线性光吸收率和高效的光电转换特性为出发点，并通过一步水热法制备了石墨烯/超薄MoS2纳米片阵列纳米复合材料。并利用铸造方法，将复合材料与 PMMA混合浇筑成石墨烯/MoS2/有机玻璃。作者首次研究了石墨烯/MoS2纳米复合材料的非线性光学特性。石墨烯/MoS2复合材料展现出优越的光限幅特性，复合材料的非线性吸收系数是相同线性透过率石墨烯对照组的1.5倍。此外，讨论了复合材料的光限幅的增强机制。
　　2基于非线性光限幅材料在实际应用对固态器件的需求，首次通过一步溶剂热法实现在导电玻璃和石英玻璃表面合成了超薄垂直分立的 MoS2纳米片阵列薄膜。研究了MoS2薄膜的非线性光学吸收特性，详细讨论了随入射光能量的增加MoS2薄膜的非线性吸收由饱和吸收向反饱和吸收转变过程。通过水热法在石英玻璃表面生长大面积 MoS2薄膜对其光学应用中有着极大的现实意义，也为其在光学领域的不同应用奠定了基础。
　　3大电流充放的锂离子动力电池，对其电极材料的结构稳定性和导电性有极高要求。以此为出发点，首次在不使用任何表面活性剂和模板的情况下，通过一步溶剂热法制备三维结构的石墨烯/垂直分立的MoS2纳米片阵列复合材料。该材料具有高导电性、高比表面积、大量离子通道和极佳的结构稳定性。复合材料表现出优异的小电流循环效率和倍率循环特性，即便在8000 mA·g-1的电流密度下充放比容量还可达到519 mAh·g-1。
　　4为了适应新一代可穿戴智能电子设备的快速发展，制备同样可弯曲、可穿戴的柔性锂离子电池成为研究热点。考虑到电极材料需要具有良好的柔韧性的同时要具有高比容量和优秀的循环稳定性。首次通过一步水热法合成了三维结构的碳纤维布/垂直分立且(002)晶面间距膨胀的MoS2纳米片阵列复合材料，研究其锂离子电池负极特性。复合材料表现出优异的稳定性和倍率循环性能，即便在3.0 mA·cm-2的电流密度下充放比容量还可达到0.85 mAh·cm-2。此外，使用该使用商业LiCoO2正极与复合材料制备的柔性锂离子电池在反复折叠下仍然可以点亮商业LED。
　　5基于在电催化制氢领域 MoS2存在着活性位点密度、导电性和稳定性三者之间存在难以调和的矛盾为出发点，寻找从根本解决问题方法。首次提出并实现利用NH4F辅助刻蚀超薄2H-MoS2，刻蚀与合成通过一步水热法一次性完成。合成的碳纤维布/超薄MoS2复合材料中的2H-MoS2具有高晶化程度，同时在 MoS2(002)晶面内存在大量因NH4F刻蚀产生的活性带边。而且MoS2纳米片垂直分立生长在碳纤维布表面，使得电极整体的导电性大幅度提升，同时活性带边得以充分暴露。由于导电性和活性带边数量同时增加从而使得复合材料展现出优异的电催化制氢性能。
　　综上所述，本论文针对 MoS2在不同领域中的应用的需求进行导向性设计，并通过一步水热法合成了一系列MoS2纳米片阵列复合材料，复合材料分别表现出优异的非线性光学、锂离子电池和电催化制氢特性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米材料概述

1.3 MoS2的物理化学特性及应用

1.4 本论文的内容、研究意义及创新点

第二章材料和器件的制备方法及表征

2.1 材料合成

2.2材料表征分析设备

2.3 性能测试设备

第三章 石墨烯/MoS2有机玻璃非线性光学特性研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 MoS2纳米片阵列薄膜的非线性光吸收特性研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章MoS2纳米片阵列/碳基复合材料的能量转换特性

5.1 引言

5.2 三维超薄 MoS2纳米片阵列/石墨烯复合材料的锂离子电池负极特性研究

5.3三维垂直分立的MoS2纳米片阵列/碳纤维布锂离子电池负极特性

5.4 刻蚀的MoS2纳米片阵列/碳纤维布复合材料的电催化制氢特性

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢