功能化碳微球和石墨烯的制备及其光学性能

发布时间：2017-09-04 12:12

  本文关键词：功能化碳微球和石墨烯的制备及其光学性能

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【摘要】：随着全球的化石能源日益枯竭和环境污染,太阳能作为一种新型环保的可再生能源,显然是“取之不尽,用之不竭”。将太阳能直接转换为电能加以利用的太阳能电池应运而生且成为研究热点。而基于共轭聚合物电子给体材料和碳电子受体材料的聚合物太阳电池因其成本低廉、取材方便、重量轻、制备过程简单和柔性可制备器件等许多优点受到广泛的关注。富勒烯衍生物(PCBM)作为聚合物太阳能电池(PSCs)成功的受体材料由于其结构的限制,对于PSCs的溶液化处理进一步优化是困难的,其效率相对于无机太阳能电池来说是一直较低。碳微球(CMSs)和石墨烯由于其结构的独特性,在光、电、热、力学等方面具有优异的特性成为潜在PSCs的电子受体材料。本论文主要是在CMSs和石墨烯制备的基础上,对水热法结合退火处理制备的多孔碳微球(PCMSs),用银纳米颗粒(Ag NPs)进行表面修饰和包覆改性处理；对水热法还原氧化石墨烯进行功能化。通过结构和性能的表征与分析,讨论了各种材料作为PSCs受体材料的可行性。主要研究结果如下：1. PCMSs与聚3-己基噻吩(P3HT)复合膜的制备及其光学性能。水热法制备的CMSs经退火处理后,制得表面粗糙、粒径均匀、含有大量含氧官能的PCMSs。(1)随着葡萄糖溶液浓度的增加PCMSs的粒径增大,其中直径为100nm且具有多孔结构的PCMSs与P3HT能级匹配且在有机溶剂中有良好的相容性,作为PSCs的受体材料可行。(2)在P3HT和PCMSs共混质量比为2：1,旋涂转速为2000 rpm, P3HT浓度为20 mg/mL(即PCMSs浓度为10 mg/mL)时,制得P3HT:PCMSs复合膜的性能最优；P3HT:PCMSs复合膜的最佳退火温度和退火时间分别为120℃和10 min。2. Ag/PCMSs与P3HT复合膜的制备及其光学性能。利用水热法制备并在600℃和800℃退火处理的两种PCMSs,经浸渍还原法将Ag NPs负载到PCMSs的表面上制得Ag/PCMSs的复合材料。(1)退火温度对PCMSs的结构没有产生明显影响,晶体无变化且粒径均匀无团聚,两种PCMSs的表面都被负载16 nm左右且分布均匀的AgNPs; Ag NPs主要是借助于物理作用沉积负载到PCMSs表面；退火温度高,制得Ag/PCMSs的稳定性高。(2)退火温度为600℃的PCMSs及Ag/PCMSs在氯苯中分散性良好。对其进行能级分析,它们的最低未占分子轨道(LUMO)能级差和最高占据分子轨道(HOMO)能级差大于0.3 eV,证明这种材料都能够满足PSCs受体材料的能级要求。(3) P3HT:Ag/PCMSs复合膜中引入的退火温度为600℃时PCMSs, AgNO3的加入量为1 mL(每50 mg PCMSs)时制备的复合材料1.0-Ag/PCMSs,复合膜在可见光区的吸光宽度变大,复合膜光致发光(PL)谱强度最低。3. Ag@C与P3HT复合膜的制备及其光学性能。以葡萄糖为碳源、硝酸银为银源,在温度200℃、反应时间4h的水热条件下制备球形核壳结构碳银复合材料Ag@C。(1)粒子直径随着葡萄糖浓度的增大而增加,葡萄糖浓度为0.3 mol/L时制备的0.3-Ag@C粒径最小、粒径分布最窄且银含量最大。通过对其进行能级测试,给受体能级差大于0.3 eV,0.3-Ag@C可以作为PSCs受体材料。(2) 0.3-Ag@C与P3HT共混后,所得P3HT:0.3-Ag@C复合膜PL强度较纯P3HT明显降低,发生荧光猝灭现象,说明光生激子在复合膜界面处得到有效分离,且当P3HT与0.3-Ag@C质量比为2：1时共混制成的复合膜拓宽了光谱吸收范围,猝灭现象最明显。4.功能化还原氧化石墨烯与P3HT复合膜的制备及其光学性能。采用Hummers方法制备氧化石墨(GO),水热法对GO分别还原5h和10h制得两种还原氧化石墨烯(5-RGO和10-RGO),进一步用异氰酸苯酯对还原前后的氧化石墨烯材料进行改性,即得功能化氧化石墨烯和功能化还原氧化石墨烯(SPFGO、5-SPFRGO和10-SPFRGO);以此三种功能化石墨烯材料为电子受体,P3HT为电子给体,制备复合膜。通过对样品形貌、结构、分散性、能级结构和光学性能分析得出：(1)通过水热法还原GO制得RGO,所得产物晶型结构有所破坏,无序度增加,氧含量下降明显,含氧官能团未完全除去。(2)经异氰酸苯酯功能化处理后,得含有-CONH、C-N、N-H等官能团的SPFGO、5-SPFRGO和10-SPFRGO,三种功能化石墨烯材料在邻二氯苯(o-DCB)中分散性良好；通过能级分析,它们与P3HT的LUMO能级差和HOMO能级差大于0.3 eV,证明这几种功能化的氧化还原石墨烯能够满足PSCs受体材料的能级要求。(3)P3HT:SPFGO、P3HT:5-SPFRGO和P3HT:10-SPFRGO复合膜通过原子力显微镜(AFM)图像、紫外可见分光吸收光(UV-Vis)谱图和光致PL分析可知,P3HT:5-SPFRGO薄膜结构致密,规整性较好；GO经5h还原后改善了复合膜的光吸收效率；PL谱强度降低,其电性能有所提高,可增加载流子的迁移率,有效地降低激子复合。氧化石墨烯还原5h并进一步功能化的5-SPFRGO能够作为聚合物太阳能电池的受体材料。
【关键词】：碳微球 石墨烯 光学性能 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 文献综述16-56
• 1.1 太阳能电池发展历程16-18
• 1.2 聚合物太阳能电池的简介18-23
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的工作原理18-20
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的结构20-23
• 1.3 聚合物太阳能电池的材料23-31
• 1.3.1 给体材料24-28
• 1.3.2 受体材料28-31
• 1.4 碳微球31-34
• 1.4.1 碳微球的制备方法31
• 1.4.2 碳微球表面改性与功能化31-33
• 1.4.3 碳微球在聚合物太阳能电池中的应用33-34
• 1.5 石墨烯34-39
• 1.5.1 石墨烯的性质35
• 1.5.2 石墨烯的制备方法35-37
• 1.5.3 石墨烯在聚合物太阳能电池中应用37-39
• 1.6 研究目的及内容39-42
• 1.6.1 研究目的39-40
• 1.6.2 研究内容40-42
• 参考文献42-56
• 第二章 多孔碳微球与P3HT复合膜的制备及其光学性能56-84
• 2.1 实验部分57-61
• 2.1.1 实验原料和试剂57
• 2.1.2 实验设备与仪器57-58
• 2.1.3 实验步骤58-59
• 2.1.4 表征与分析59-61
• 2.2 结果与讨论61-78
• 2.2.1 PCMSs形貌分析61-63
• 2.2.2 PCMSs官能团分析63-64
• 2.2.3 PCMSs能级分析64-65
• 2.2.4 P3HT：PCMSs复合膜的分析65-78
• 2.3 结论78-80
• 参考文献80-84
• 第三章 Ag-PCMSs与P3HT复合膜的制备及其光学性能84-112
• 3.1 实验部分85-89
• 3.1.1 实验原料和试剂85-86
• 3.1.2 实验设备与仪器86
• 3.1.3 实验步骤86-88
• 3.1.4 表征与分析88-89
• 3.2 Ag/PCMSs复合材料的结果与讨论89-102
• 3.2.1 Ag/PCMSs复合材料形貌分析89-90
• 3.2.2 Ag/PCMSs复合材料结构分析90-97
• 3.2.3 样品在氯苯中的分散性分析97-98
• 3.2.4 能级分析98-100
• 3.2.5 复合膜光学性能分析100-102
• 3.3 Ag@C复合材料的结果与讨论102-107
• 3.3.1 Ag@C复合材料形貌分析102-103
• 3.3.2 Ag@C复合材料热重分析103
• 3.3.3 Ag@C复合材料超微观分析103-104
• 3.3.4 Ag@C复合材料能级分析104-105
• 3.3.5 P3HT：Ag@C复合膜光学性能分析105-107
• 3.4 小结107-109
• 参考文献109-112
• 第四章 功能化还原氧化石墨烯与P3HT复合膜的制备及其光学性能112-134
• 4.1 实验部分113-117
• 4.1.1 实验原料及试剂113-114
• 4.1.2 实验设备与仪器114
• 4.1.3 实验步骤114-116
• 4.1.4 表征与分析116-117
• 4.2 结果与讨论117-129
• 4.2.1 氧化石墨烯的形貌分析117
• 4.2.2 氧化石墨烯、还原氧化石墨烯的结构分析117-122
• 4.2.3 功能化还原氧化石墨烯的官能团分析122-124
• 4.2.4 样品在溶剂中的分散性分析124-125
• 4.2.5 能级分析125-126
• 4.2.6 复合膜的形貌分析126-128
• 4.2.7 复合膜光学性能分析128-129
• 4.4 小结129-131
• 参考文献131-134
• 第五章 结论与展望134-138
• 5.1 结论134-135
• 5.2 创新点135
• 5.3 展望135-138
• 博士期间的研究成果138-140
• 致谢140

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