水热法制备纳米WO3及其在超级电容器、钙钛矿太阳电池中的应用

摘要

WO3性质稳定且无毒，是一种重要的n型间接带隙半导体材料，在能量转化和存储领域都是关注的热点之一。已有研究表明，通过WO3形貌的变化、WO3与其他材料复合等方式可以提高WO3的电化学性能。
　　本文利用水热法分别制备了薄膜WO3、纳米片阵列WO3和纳米树叶阵列WO3，在其表面电沉积制备了WO3/PANI复合电极，研究其作为超级电容器电极材料的性能，主要探讨了WO3形貌、退火处理对WO3晶相等性质的影响，并研究了WO3/PANI复合电极的电化学性能。结果表明，当Na2WO4浓度为5mmol·L-1、5.5mmol·L-1、10mmol·L-1时可分别得到薄膜WO3、纳米树叶阵列WO3、纳米片阵列WO3。以这三种不同形貌的纳米WO3为衬底，以50mV/s的电沉积扫描速率，15圈的循环周期，在其表面电聚合制备PANI，得到了薄膜WO3/PANI电极、纳米树叶阵列WO3/PANI电极、纳米片阵列WO3/PANI电极。相比于其它电沉积条件，该条件下所制备复合电极在电容容量、电极反应可逆性，PANI附着强度等性质上表现更优。在所制备三种电极中，退火薄膜WO3/PANI复合电极的电容为9.23mF·cm-2，其循环伏安曲线中氧化还原反应的电化学波在不同扫描速率下偏移较小，说明其可逆性好;退火纳米片阵列WO3/PANI复合电极电容为34.06mF·cm-2，退火纳米树叶阵列WO3/PANI复合电极电容为17.94mF·cm-2，两者的电化学波随着扫描速率增加时偏移程度相似，均较大，电极的可逆性比退火薄膜WO3/PANI复合电极差。
　　为了对菊芋秸秆(Jerusalem artichoke，JA)这一生物质资源的二次利用，通过KOH活化菊芋秸秆得到菊芋多孔碳，再将菊芋多孔碳浸泡在WCl6的异丙醇溶液中两天，产物在空气气氛中煅烧后，得到WO3掺杂菊芋多孔碳(WO3/JA)，将WO3/JA复合材料作为超级电容器的电极材料，探讨了WO3掺杂量对WO3/JA复合多孔碳电极电化学性能的影响。结果表明，在1mol·L-1H2SO4电解液中，电极的比电容达到了236F·g-1（电流密度1A·g-1），而菊芋多孔碳空白样比电容仅181F·g-1。WO3掺入多孔碳不仅提高了材料的导电性，也加强了电解质在电极上的渗透与扩散能力。
　　利用水热法在WO3衬底上制备纳米树叶阵列WO3和纳米片阵列WO3，并作为骨架层应用于钙钛矿太阳电池中，探讨了退火温度对WO3纳米阵列形貌、晶相、光学带隙及对相应钙钛矿太阳电池光伏性能的影响。结果表明，未退火纳米树叶阵列WO3结晶水含量少，为WO3·0.33H2O晶体，在退火过程中结晶水逐渐消失，有利于钙钛矿的稳定，但因结晶水含量少，退火处理后其含量变化对钙钛矿稳定性提升效果不明显，而阵列退火后表面出现褶皱、空隙，会降低其作为空穴阻挡层的效果，导致空穴与电子的复合，退火温度越高，情况越严重，故随着退火温度的升高，其太阳电池光电转换效率明显下降，基于未退火纳米树叶阵列WO3的钙钛矿太阳电池获得最佳6.27％的光电转换效率;未退火纳米片阵列WO3的结晶水含量较多，为WO3·H2O晶体，在退火过程中结晶水逐渐失去，但同时阵列表面出现褶皱和空隙，导致纳米片之间空隙增大，导致空穴与电子复合情况发生。未退火时，因阵列含有大量结晶水，不利于钙钛矿稳定，退火后导致的空穴与电子的复合抵消了阵列在退火过程中失去结晶水带来的有利影响，故随着退火温度的升高，其光电转换效率均在较低的水平，未退火及150℃、300℃、450℃退火处理的纳米片阵列WO3对应的钙钛矿太阳电池光电转换效率为2.63％、2.44％、2.60％、2.95％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．2．1 WO3在超级电容器中的应用

1．3 本论文的研究意义及主要内容

第二章 WO3／PANI复合电极的制备及其在超级电容器中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 不同形貌WO3薄膜的制备

2．2．3 WO3／PANI复合电极的制备

2．2．4 测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 薄膜WO3／PANI复合电极的性质

2．3．2 纳米片阵列WO3／PANI复合电极的性质

2．3．3 纳米树叶阵列WO3／PANI复合电极的性质

2．3．4 不同形貌WO3／PANI复合电极电化学性能比较

2．4 本章小结

第三章 WO3／菊芋多孔碳电极的制备及其在超级电容器中的应用

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 菊芋多孔碳的制备

3．3．1 WO3与菊芋多孔碳复合材料的表征

3．3．2 WO3／菊芋多孔碳复合电极的电化学性质

3．4 本章小结

第四章 WO3纳米阵列钙钛矿太阳电池的制备及性能研究

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 WO3阵列制备

4．2．3 钙钛矿太阳电池组装

4．2．4 测试方法

4．3．1 退火温度对纳米树叶阵列WO3的影响并应用于钙钛矿太阳电池

4．3．2 退火温度对纳米片阵列WO3的影响并应用于钙钛矿太阳电池

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况