锌铝类水滑石/石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究

摘要

类水滑石（Hydrotalcite-like compound，HTlc）是由两种或以上不同价态的金属元素组成的一类具有层状结构的新型纳米材料，具有许多独特的性能。HTlc通过简单的煅烧，可以方便简易地得到多种多样的复合金属氧化物(Mixed metal oxide，MMO)，它是一类极具潜力的太阳能转换材料。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell，DSSC)的制作成本低廉，制备工艺简单且具有可观的光电转换效率等，是太阳能电池领域的热点之一。石墨烯凭着超大比表面积、优异的导电/热性和机械特性等卓越性能，掀起新的技术产业革命。以HTlc为前驱体制备MMO，掺杂石墨烯后作为DSSC的光阳极材料，有效结合HTlc和石墨烯两者的优点，为研究太阳能电池提供了新思路和新方法。
　　本文的主要研究内容如下:
　　1.锌铝类水滑石(ZnAl-HTlc)通过尿素法制备，改变Zn2+、Al3+的投料比可以合成不同Zn/Al摩尔比例的ZnAl-HTlcs，ZnAl-HTlcs经煅烧处理后得到对应的ZnAl-MMOs。对HTlcs和MMOs样品进行表征，包括X射线衍射（XRD）、紫外可见吸收光谱(UV-vis)，扫描电镜(SEM-EDS)等测试研究材料的特性。ZnAl-MMOs作为DSSC的光阳极薄膜，选择D205、N3和N719三种染料敏化剂，组装电池，并用电化学方法测试分析Zn/Al摩尔比例和染料对电池性能的影响。
　　2.在ZnAl-MMO中掺杂不同质量分数的石墨烯，拉曼（Raman）分析等测试证明成功地制备了ZnAl-MMO/石墨烯纳米复合材料。通过与未掺杂石墨烯的ZnAl-MMO性能对比，研究了石墨烯的掺杂量对材料性能的影响。ZnAl-MMO/石墨烯纳米复合材料作为DSSC的光阳极薄膜，同样在D205、N3和N719三种染料敏化剂的条件下，研究石墨烯的掺杂量对电池性能的影响。实验发现，石墨烯的引入有效提高了电池的短路电流和效率，掺杂0.2wt.％石墨烯的电池表现出最好的光伏性能，但过量的石墨烯会导致电池效率的下降。
　　3.基于前期工作，在合成ZnAl-HTlc时掺杂不同体积的氧化石墨烯，Raman分析等测试证明了氧化石墨烯的成功掺杂。通过与未掺杂氧化石墨烯的空白样品对比，研究了氧化石墨烯的掺杂量对材料性能的影响。ZnAl-MMO/氧化石墨烯纳米复合材料作为DSSC的光阳极薄膜，在D205和N3染料敏化剂的条件下，研究氧化石墨烯的掺杂量对电池性能的影响。实验发现，氧化石墨烯的引入也提高了电池的短路电流和效率，掺杂30ml氧化石墨烯的电池效率最好，过量的氧化石墨烯也导致了电池效率的下降。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2．1 类水滑石的结构

1．2．2 类水滑石的主要性质

1．2．3 类水滑石的常见制备方法

1．2．4 类水滑石的应用

1．3 基于类水滑石的复合氧化物

1．4 石墨烯的性能与应用

1．5 氧化石墨烯的性能与应用

1．6 染料敏化太阳能电池

1．6．1 染料敏化太阳能电池的组成

1．6．2 染料敏化太阳能电池的工作原理

1．7 本文的选题背景与研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 表征测试

第三章 基于锌铝类水滑石的染料敏化太阳能电池

3．1 锌铝类水滑石及其复合氧化物的制备与表征

3．1．1 实验部分

3．1．2 结果与讨论

3．2 基于锌铝复合氧化物的染料敏化太阳能电池

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果与讨论

3．3 本章小结

第四章 基于锌铝类水滑石／石墨烯纳米复合材料的染料敏化太阳能电池

4．1 锌铝类水滑石／石墨烯纳米复合材料的制备与表征

4．1．1 实验部分

4．1．2 结果与讨论

4．2 基于锌铝类水滑石／石墨烯纳米复合材料的染料敏化太阳能电池

4．2．1 实验部分

4．2．2 结果与讨论

4．3 本章小结

第五章 基于锌铝类水滑石／氧化石墨烯纳米复合材料的染料敏化太阳能电池

5．1 锌铝类水滑石／氧化石墨烯纳米复合材料的制备与表征

5．1．1 实验部分

5．1．2 结果与讨论

5．2 基于锌铝类水滑石／氧化石墨烯纳米复合材料的染料敏化太阳能电池

5．2．1 实验部分

5．2．2 结果与讨论

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

论文创新点

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果及奖励

致谢