隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,開發(fā)環(huán)境友好的清潔能源和對(duì)被污染環(huán)境的及時(shí)治理成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。太陽能是最有前景的清潔能源之一,但它的不穩(wěn)定和不連續(xù)性限制了其實(shí)際應(yīng)用。開發(fā)穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)換裝置以實(shí)現(xiàn)太陽能的有效利用是實(shí)現(xiàn)清潔能源應(yīng)用的重要途徑之一。然而,目前的能源轉(zhuǎn)換材料在制備或者器件加工過程中大多涉及使用貴金屬或高毒性的有機(jī)試劑。而本身低毒低耗的能源轉(zhuǎn)換材料通�；钚暂^低,能源轉(zhuǎn)換機(jī)理還不夠完善。因此,設(shè)計(jì)低毒低耗的高效新能源材料以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的充分利用,減輕能源轉(zhuǎn)換過程中對(duì)環(huán)境造成的污染,具有重要意義。本論文以設(shè)計(jì)環(huán)境友好材料為核心,合成了一系列低毒低耗的鋅基新能源材料,并對(duì)其能源轉(zhuǎn)換性質(zhì)以及機(jī)理進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究,主要開展了以下四個(gè)方面工作:(1)巰基乙胺包覆的Cd_x Zn_(1-x)Te納米晶的設(shè)計(jì)與合成及其在水相太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用。成功制備了具有優(yōu)異溶解性和成膜性的巰基乙胺包覆的Cd_xZn_(1-x)Te納米粒子并應(yīng)用于水相納米晶太陽能電池中,獲得了目前水相納米晶太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率(5.96%)和最高光電流密度(21.2 mA cm~(-2)),系統(tǒng)研究了光電轉(zhuǎn)換效率提高的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鋅離子的引入不僅在一定程度上降低了CdTe活性層的毒性,還擴(kuò)大了活性層和電子傳輸層之間的費(fèi)米能級(jí)差,將開路電壓提高了12%;并成功地將器件的耗盡區(qū)從130拓寬到137 nm。通過引入雙邊體相異質(zhì)結(jié)和退火溫度,將耗盡區(qū)進(jìn)一步從137 nm拓寬到171 nm,最終達(dá)到200 nm,此時(shí)的耗盡區(qū)寬度和耗盡區(qū)占活性層的比值(74%)都是水相納米晶電池的最高值。因此,有效提升了載流子的提取和傳輸能力。本工作為多元納米晶的設(shè)計(jì)合成、水相納米晶太陽能電池的構(gòu)筑及光電轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究提供了理論依據(jù)。(2)ZnO-SnS三維多孔復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與合成及其光催化性質(zhì)研究。通過簡(jiǎn)單的溶液法制備了三維花狀ZnO,并將其與低毒SnS光敏材料復(fù)合,制備了環(huán)境友好的ZnO-SnS三維多孔復(fù)合光催化劑。在可見光范圍內(nèi),復(fù)合物可在80 min內(nèi)將有機(jī)染料(如羅丹明B)完全降解,高于同等條件下絕大多數(shù)ZnO和SnS基催化劑的活性。通過深入系統(tǒng)地研究催化機(jī)理可知,SnS光敏劑的引入提高了ZnO對(duì)太陽光的利用率;而n-ZnO與p-SnS之間準(zhǔn)type II p-n異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑顯著提高了載流子的分離和傳輸能力,有效抑制了ZnO的光腐蝕;此外,獨(dú)特的三維多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確保了催化劑較高的比表面積和大量的反應(yīng)活性位點(diǎn)。本工作為低毒ZnO與SnS光敏劑的設(shè)計(jì)及其在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。(3)ZnS-SnS_2二維多孔納米片的設(shè)計(jì)與合成及其光解水性質(zhì)研究。制備了ZnS-SnS_2二維多孔納米片,在不使用貴金屬助催化劑和表面活性劑的條件下,獲得了536μmol h~-11 g~(-1)的可見光催化產(chǎn)氫活性,高于同等條件下絕大多數(shù)ZnS和SnS_2基催化劑的活性。通過對(duì)其催化機(jī)理進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,得出復(fù)合物成功地集成了ZnS較高的還原電勢(shì)和SnS_2高效的太陽光利用率的優(yōu)勢(shì);其獨(dú)特的二維多孔納米結(jié)構(gòu)使其擁有較高的比表面積(246.7 m~2 g~(-1))和大量的反應(yīng)活性位點(diǎn);此外,ZnS與SnS_2之間type I異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑大大促進(jìn)了載流子的分離能力。本工作展示出ZnS-SnS_2多孔納米片作為低毒、低耗、高效的光催化劑在能源轉(zhuǎn)換方面的巨大潛力。(4)g-C_3N_4/ZnS零維/三維復(fù)合光催化劑的設(shè)計(jì)與合成及其光解水性質(zhì)研究。通過簡(jiǎn)單的一步水熱法由體相g-C_3N_4直接制備了羥基修飾的零維g-C_3N_4納米粒子。在降低材料維度、提高親水性、增加比表面積的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)其帶隙的調(diào)控,提高了太陽光的利用率。將其與ZnS結(jié)合后,所獲得的ZnS/g-C_3N_4復(fù)合光催化劑具有5.6 mmol h~(-1)g~(-1)的可見光催化產(chǎn)氫活性,明顯優(yōu)于大多數(shù)ZnS和g-C_3N_4基催化劑。通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的巧妙結(jié)合,對(duì)其催化機(jī)理進(jìn)行了深入研究,證實(shí)復(fù)合催化劑具有吸收光范圍寬、比表面積高、親水性好和載流子分離能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。本工作對(duì)零維g-C_3N_4納米粒子的制備具有借鑒意義,為鋅基復(fù)合光催化劑的設(shè)計(jì)及其能源轉(zhuǎn)換性質(zhì)的研究提供了理論指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;TQ426
【部分圖文】：

引言和環(huán)境是當(dāng)今世界發(fā)展的兩大主題，是科技穩(wěn)步發(fā)展和人類賴以生紀(jì)以來，隨著科技的飛速發(fā)展和人口的日益膨脹，能源緊缺和環(huán)境。如圖 1.1 所示，當(dāng)前我國(guó)和世界的能源供應(yīng)主要以不可再生能源為 世界能源統(tǒng)計(jì) 2011》的數(shù)據(jù)顯示，全球石油儲(chǔ)量?jī)H可供生產(chǎn) 46 年分別可以供應(yīng) 250 年和 162 年，能源問題非常嚴(yán)峻。此外，如圖 1.業(yè)發(fā)展所帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。2017 年中國(guó)環(huán)境公報(bào)指出，上城市中，僅有 99 個(gè)城市的空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)；239 個(gè)城市的空氣中M10、O3、SO2、NO2、CO)含量超標(biāo)，占 70.7%。環(huán)境保護(hù)部對(duì)我國(guó)河流、西北諸河、西南諸河水質(zhì)狀況進(jìn)行調(diào)查，如圖 1.3 所示，其中 (點(diǎn)位) 1317 個(gè)，占 67.9%；Ⅳ、Ⅴ類 462 個(gè)，占 23.8%；劣Ⅴ類 境污染形式十分嚴(yán)峻。因此開發(fā)環(huán)境友好的可再生能源和對(duì)被污染目前全世界的戰(zhàn)略性目標(biāo)。我國(guó)新頒布的“十三·五”規(guī)劃中明確提、著力改善生態(tài)環(huán)境”和“推動(dòng)低碳循環(huán)發(fā)展”的理念。因此，發(fā)源材料，充分開發(fā)可再生的新能源是支撐落實(shí)“十三·五”規(guī)劃的基

的工業(yè)發(fā)展所帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。2017 年中國(guó)環(huán)境公報(bào)指出，全國(guó)級(jí)以上城市中，僅有 99 個(gè)城市的空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)；239 個(gè)城市的空氣中有害2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO)含量超標(biāo)，占 70.7%。環(huán)境保護(hù)部對(duì)我國(guó)七大閩片河流、西北諸河、西南諸河水質(zhì)狀況進(jìn)行調(diào)查，如圖 1.3 所示，其中Ⅰ～斷面 (點(diǎn)位) 1317 個(gè)，占 67.9%；Ⅳ、Ⅴ類 462 個(gè)，占 23.8%；劣Ⅴ類 161 個(gè)%，環(huán)境污染形式十分嚴(yán)峻。因此開發(fā)環(huán)境友好的可再生能源和對(duì)被污染環(huán)境理是目前全世界的戰(zhàn)略性目標(biāo)。我國(guó)新頒布的“十三·五”規(guī)劃中明確提出“發(fā)展、著力改善生態(tài)環(huán)境”和“推動(dòng)低碳循環(huán)發(fā)展”的理念。因此，發(fā)展環(huán)新能源材料，充分開發(fā)可再生的新能源是支撐落實(shí)“十三·五”規(guī)劃的基本保障圖 1.1 當(dāng)前我國(guó)和世界的能源結(jié)構(gòu)。

圖 1.3 2017 年我國(guó)七大流域以及浙閩片河流、西北諸河、西南諸河的水質(zhì)狀況。1.2 新能源材料概述新能源一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用的可再生能源，包括太陽能、生、核能、風(fēng)能、地?zé)�、海洋能和氫能等。新能源的有效開發(fā)和利用一方面靠新原發(fā)展新的能源系統(tǒng)；另一方面靠高效穩(wěn)定、環(huán)境友好的新能源材料的設(shè)計(jì)與合成中新能源材料是指可以實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)換和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)的關(guān)鍵材料能源材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著投資與運(yùn)行成本。因此環(huán)境友好源材料的設(shè)計(jì)是緩解能源危機(jī)和從根本上解決環(huán)境問題的有效方法。1.2.1 新能源材料的制備近幾十年來，隨著科技的發(fā)展和科研工作者的不懈努力，越來越多的新能源材制備方法得到應(yīng)用和推廣。根據(jù)材料制備過程和原理的不同，主要包括以下幾種：(1) 氣相沉積法。氣相沉積法是將兩種或兩種以上的揮發(fā)性氣態(tài)蒸氣導(dǎo)入到一個(gè)室內(nèi)，通過他們相互之間的化學(xué)反應(yīng)，制備納米微粒的方法。具有操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)度高、顆粒大小可控、尺寸均一、無粘結(jié)等優(yōu)點(diǎn)。如 Kusdianto 等人通過氣相沉積

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉凱凱;氧化鋅量子點(diǎn)的制備與應(yīng)用研究[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2018年

2 殷小豐;層狀鈣鈦礦鐵電氧化物的制備及其光催化性能研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

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4 岳爽;新型一維ZnS-碳納米復(fù)合材料的固相合成及光催化性能研究[D];北京化工大學(xué);2016年

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1 孫朝陽;g-C_3N_4基納米復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究[D];南昌航空大學(xué);2018年

2 張yN;以氨基樹脂為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑構(gòu)筑高效g-C_3N_4基光催化劑[D];東北師范大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2828071