镍基纳米材料的可控制备及在能源与光电转化的应用

发布时间：2020-07-15 03:15

【摘要】：随着城市化、工业化程度的提高,以及人们迅速提高的生活水平,能源消耗以及环境污染将继续大幅增长。寻求新的技术手段为人们提供氢能、太阳能等新能源和清洁的环境已是迫在眉睫。纳米材料由于其较大的比表面积,较强的力学性能(如强度和韧性等),独特的光、电、磁、热等性质已经受到世界各国科研工作者的重视,其中镍基纳米材料凭借其资源丰富,成本低廉,反应活性高等优点在众多纳米材料中脱颖而出,拥有很大的发展潜力。因此,基于镍基纳米材料的独特的性质和广泛的应用,本论文详细讨论了镍基纳米材料在光电催化,太阳能电池,锂离子电池中的应用。研究内容如下:(1)二维Ni-Ti02纳米片的可控制备及其光电催化性能研究。采用溶胶-凝胶法可控合成了二维Ni-Ti02纳米片。通过XRD、XPS、TEM、SEM等测试手段对对样品的结构和形貌进行详细的表征。当其作为析氧反应的光电催化剂时,确实也表现出较高的催化活性和光敏性。在1.7 V电压条件下,电流密度为20.05 mAcm-2,比无光照的条件下扩大了大约2.25倍。从反应动力学的角度出发,Ni-Ti02在黑暗条件下的塔菲尔斜率是139 mVdec-1。更重要的是,在光照后,塔菲尔斜率显著降低至91 mVdec-1。我们所提出的Ni-TiO2纳米片结构能够为更加节能的光电催化提供新的途径。(2)负载型Ni-TiO2在钙钛矿太阳能电池中的性能研究。能够显著增加钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的最优条件是0.3wt%Ni-TiO2(0.05),而其中负载的Ni金属可以起到提高电子的迁移率、实现有效的电子转移。在AM1.5G的光照条件下,引入的Ni-Ti02确实能够有效的提高的光电转换效率和填充因子,其中光电转换效率从8.73%增加到10.71%。我们的工作提供了一个有效的方法提高电子的转移,进而实现较高的光电转换效率。(3)“kiwano-like”NiS2纳米材料的设计合成及锂离子电池性能研究。通过简易的水热法合成了独特的“kiwano-like”NiS2空心结构,并且通过电化学测试证实了当用作锂离子电池正极材料时确实具有优异的循环性能,在电流密度50 mAg-1下,100次循环后仍保持容量为681 mAhg-1,即使在0.2 C的高电流密度下进行400次循环后仍具有优异的长寿命循环稳定性(580.6 mAhg-1)。原位TEM分析结果证实循环稳定好的原因是锂化后仅形成单一的中间产物,即Ni3S4,而不是其他的硫化镍。我们所提出的“kiwano”结构概念将是用于增强电极材料的循环寿命的实用结构。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TB383.1;TQ138.13
【图文】：

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走进人们的生活，生产中，并为社会的进步作出了巨大的贡献。纳米材料的分类逡逑方法很多，如果按纳米尺度在空间的表达特征进行划分，纳米材料可以分为以下逡逑四类：分别是：零维、一维，二维和三维（图１．１）邋１４；如果按照用途进行划分可逡逑以分为智能材料、储能材料等，其中例如储能材料在锂离子电池等能源开发利用逡逑方面得到了广泛的应用；如果按照材质进行划分可分为金属材料、无机材料、有逡逑机材料等。逡逑ＨＩ邋１逡逑１邋ｍ逡逑图１．１纳米材料的零维（ａ），邋—维（ｂ），二维（ｃ）和三维（ｄ）扫描电子显微镜图像逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ邋（ａ）邋Ｚｅｒｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，邋（ｂ）逡逑Ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，邋（ｃ）邋Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，邋（ｄ）邋Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ．逡逑２逡逑

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解液结的关系。因此，Ｂｒａｔｔａｉｎ和Ｇａｒｒｅｔｔ以及后来的Ｇｅｒｉｓｃｈｅｒ奠定了现代光电化逡逑学的基础。故而，光电化学（ＰＥＣ）反应是指基于半导体和电解质之间的界面行为逡逑的化学反应如图１．２所示。逡逑＾＿逦ｅ－邋…一逡逑ｔｕｃｍｏｉｍ！邋Ｉ逡逑■逦，Ｓ｜邋？逦Ａ逡逑■逦卜邋Ｉ逦■逡逑ｘ￡逦４０Ｈ＂Ｎ逡逑图１．２光电化学基本原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑４逡逑

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提高电荷分离和传输效率。电子传输材料和空穴传输传输材料的选取逡逑需要遵循两个基本原则，电子传输材料的价带能级远低于钙钛矿光吸收层的价带逡逑顶，空穴传输材料的导带能级要高于钙钛矿材料的价带最大值（图１．３）。然而，逡逑许多研究学者利用碳代替金属电极和空穴传输材料，主要是由于金属电极和有机逡逑空穴传输材料价格昂贵，碳价格便宜，并且碳是疏水材料可以增加器件环境稳定逡逑性。因此，利用碳充当空穴传输材料和电极有利于太阳能电池的商业化发展。太逡逑阳能电池工作的物理基础是由爱因斯坦所提出光电效应，当太阳光照射到钙钛矿逡逑表面时，激发出光生电子－空穴对，并分别注入到电子传输层和空穴传输层，最后逡逑经外部电路循环形成回路电流。太阳能电池主要的性能参数开路电压（Ｏｐｅｎ－ｃｉｒｃｕｉｔ逡逑Ｖｏｌｔａｇｅ，简写为邋Ｖｏｃ）、短路电流（Ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋Ｄｅｎｓｉｔｙ，简写为邋ｊｓｃ）、填充逡逑因子（Ｆｉｌｌ邋Ｆａｃｔｏｒ，简写为ＦＦ）都可从伏安特性中获取，其体现光伏性能的优劣的逡逑光电转换效率（Ｐｏｗｅｒ邋Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ邋Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

【参考文献】