ZnO-石墨烯复合材料的制备及光电性能研究

发布时间：2020-07-03 21:21

【摘要】：石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化形式连接构成正六边形网状结构,由于具有独特的二维结构使得石墨烯具有较好的透光性、优异的导电性、极高的抗拉强度和热导率等优异的物理化学性能,因而成为当下的研究热点。近年来,研究表明石墨烯基的复合材料具有许多特殊性能和潜在应用。Zn O作为一种直接带隙宽禁带半导体材料,制备简单、成本低廉,化学稳定性好等优良特点,被广泛应用于发光器、光催化、光探测器、发光器件和太阳能电池等领域。而Zn O中光生电子-空穴对的快速复合限制了其性能。石墨烯具有较高的比表面和电导率,石墨烯与Zn O复合有助于其性能的提升,因而研究Zn O-石墨烯复合材料具有重大意义。本文首先利用改进的Hummers法制备氧化石墨,然后利用制得的氧化石墨通过水热法和水浴加热法制备Zn O-石墨烯复合材料。利用XRD、SEM、TEM、Raman、XPS、FTIR等表征分析了产物的化学成分、组织结构和形貌,光电性能。结果表明利用改进的Hummers法可以制备具有较高氧化程度的氧化石墨。而水热合成的Zn O-石墨烯复合材料中,氧化石墨被还原成了石墨烯。TEM测试结果表明成功制得了Zn O@Graphene准核壳结构材料。然后,利用制备的两种ZnO-石墨烯的复合材料进行光催化降解染料甲基橙(MO)和罗丹明B(Rh B)的实验。光催化结果表明复合材料与Zn O相比,具有更好的光催化活性。在Zn O-石墨烯复合材料中,石墨烯具有较高的比表面,更易于吸附染料分子,而且石墨烯具有优异的电子传输性能,便于光生电子-空穴的分离和迁移,有利于提升光催化性能。此外,由于石墨烯是零带隙材料,因而复合材料与Zn O相比,能够吸收可见光波段,可以提高太阳能的利用率,有助于光催化性能的提升。最后,将ZnO-石墨烯复合材料制备成紫外探测器,利用电化学工作站测试器件性能,测试结果表明利用Zn O-石墨烯复合材料制备的紫外探测器是光电导型探测器。探测器的光响应速率和响应度与Zn O基的紫外探测器相比都有所提升。基于Zn O-石墨烯复合材料的紫外探测器的上升时间为5.5 s,下降时间为13.4 s。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

石墨,富勒烯,碳纳米管

图 1-1 石墨烯构建富勒烯、碳纳米管和石墨[11]介晶体结构层的石墨片层，理想的石墨烯结构是由碳原子及碳键形成的二维蜂巢状的正六边形网状结构，如图 1子都与周围 3 个碳原子通过 sp2杂化的 σ 键相连，C-C 键长 1.42 ，键角为 120°，电子组态为 1s22s2具有很强的刚性[12]。在垂直于晶面的方向上，剩的 p 轨道一起形成共轭大 π 键，π 电子可以在晶体良的导电性。

石墨,结构示意图,碳原子

图 1-1 石墨烯构建富勒烯、碳纳米管和石墨[11]体结构的石墨片层，理想的石墨烯结构是由碳原子及成的二维蜂巢状的正六边形网状结构，如图都与周围 3 个碳原子通过 sp2杂化的 σ 键相连-C 键长 1.42 ，键角为 120°，电子组态为 1s2有很强的刚性[12]。在垂直于晶面的方向上， p 轨道一起形成共轭大 π 键，π 电子可以在晶的导电性。

【参考文献】