The Preparation of Nano Composites and Their Application in Solar Energy Conversion

能源问题是关乎人类未来与发展的核心问题，而解决能源问题的途径无外乎开发新能源与更高效的利用现有能源。我们将研究目光集中在绿色无污染的太阳能上，其中设计高效的纳米复合材料是提升太阳能转换效率的有效方式之一。本论文从增强电荷传输能力以及提升光的利用率两方面着手，设计制备了一系列纳米复合体系，并应用于染料敏化太阳能电池组件和光催化中。具体研究内容如下： 首先，我们将石墨烯引入到染料敏化太阳能电池中，从而提升了电荷分离能力，延长了电子寿命，抑制了复合，同时在一定程度上提升了光的利用率，进而在整体上使光生电流提升了45%，光电转换效率提高了39%。 第二，为了进一步揭示氧化钛-石墨烯之间的电荷输运行为，我们向自然界中的光合作用学习，把光合作用的光电转换过程翻译为化学语言，并从结构到功能对基粒进行模仿，通过层层自助装的方法构建了人造的氧化钛-石墨烯垛叠结构。通过对垛叠结构的光电行为进行分析，发现氧化钛-石墨烯复合薄膜往往表现出更高的光电转换能力，在薄膜厚度达到25个结构单元时，光生电流是同样条件下普通氧化钛薄膜的20倍；重要的是，通过测试我们发现电流方向会发生反转，即当薄膜较薄时，电极往往表现出阴极光电流，只有当薄膜达到一定厚度，才会产生阳极光电流，进而对外供电。同样，我们也成功制备了聚苯胺-氧化石墨垛叠结构，氧化石墨同时起到模板和掺杂剂的作用。 第三，从提升光的利用率方向着手，将表面等离子体共振效应引入染料敏化太阳能电池之中。发现拓扑结构金膜的加入可以有效的提升光的漫反射进而提升电池对光的吸收，尤其是在染料难以利用的长波段。这种更强的光利用率，可以使光电转换效率提升18%左右，并且该方法具有普适性，即不影响光阳极的结构，也不影响光阳极的电子输运行为。 最后，进行了光催化材料的改性研究。通过计算得知裸露{001}晶面的氧化钛纳米片可以与二维碳材料产生良好的复合。随后通过实验合成该纳米片，并与石墨烯、石墨炔进行复合，通过跟踪光催化降解亚甲基蓝的反应进程，发现TiO2(001)-石墨炔复合材料具有最强的光催化能力。这是由于石墨炔的引入带来了更强的电荷分离能力，更长的电子寿命，更多的杂质能级以及更强的氧化能力

氧化钛-石墨烯复合结构在光电转化系统中的应用

<正>太阳能由于其可视为一种取之不尽的原料和相对低廉的运营成本受到大家广泛的关注。为了提升其光电转换能力,我们从自然界中寻找解决问题的途径。在植物的叶绿体中具有由类囊体垛叠起来的基粒,

利用二维石墨烯桥增强染料敏化太阳能电池中光生电子的传输

<正>在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中,限制效率的关键因素在于光生电子-空穴的复合,为了解决这一问题,科学家们曾将一维纳米材料与氧化钛复合[1],但仍有许多问题亟待解决

染料敏化太阳能电池中的石墨烯:电子捕获与传输的桥梁

<正>石墨烯由于其优异的性能,已成为材料科学以及凝聚态物理中的一颗新星。它是一种零禁带宽度的材料,其中的电子表现出无质量相对论粒子的特性,这使电子可以以极高速率传输,因此石墨烯是二维尺度上一种理想的电子载

用于太阳能转换的TiO_2与二维碳材料的复合物

石墨烯(GR)具有优异的导电和导热性质,以及大的比表面积,该材料已经被广泛应用于催化和光伏等领域。石墨炔(GD)这种新型的二维碳材料则具有半导体的性质,Malko预测石墨炔的同素异性体可能拥有优于石墨烯的电学性质。我们的研究结果表明TiO2-GD的复合物表现出优于TiO2和其它二维碳材料的复合物光催化性质,包括TiO2-GR复合物。因此我们可以推测,在光催化和光伏等领域,石墨炔将成为包括石墨烯的其它所有不同类型二维碳材料的强劲对手

养马岛附近海域藻华期间有色溶解有机质的生物可利用性研究

本研究利用吸收光谱和荧光激发-发射矩阵光谱-平行因子分析(EEMs-PARAFAC),研究了养马岛附近海域海水中有色溶解有机质(CDOM)的浓度、组成、来源和生物可利用性,并估算了浮游植物生长繁殖对CDOM及具有生物可利用性CDOM的贡献。结果表明,表、底层海水中CDOM浓度(以吸收系数a350计)平均值分别为1.62±0.42 m-1和1.30±0.47 m-1,光谱斜率(S275-295)平均值分别为0.022± 0.003 nm-1和0.023±0.003 nm-1。利用PARAFAC模型识别出4种荧光组分,分别为陆源类腐殖酸C1、类色氨酸C2、类酪氨酸C3和微生物源类腐殖酸C4。荧光指数(FIX)、腐殖化指数(HIX)和生物指数(BIX)显示,CDOM受陆源输入和海洋自生源的综合影响。降解实验结果显示,表、底层海水中生物可利用性CDOM百分比(%Δa350)平均值分别为(23.36%±17.94%)和(8.93%±20.30%)。C1、C2和C4组分的荧光强度在培养之后降低,而C3组分的荧光强度上升。各荧光组分生物可利用性依次递减的顺序为:%ΔC1(23.75%±8.96%)>%ΔC4 (20.83%±11.71%)>%ΔC2 (11.67%±38.87%)>%ΔC3(-29.61%±39.90%),显示培养之后CDOM的平均分子量和腐殖化程度降低。表层海水中a350、%Δa350与Chl a之间存在显著线性相关关系,据此可以估算出浮游植物生长繁殖对CDOM的贡献为36.9%,对具有生物可利用性CDOM的贡献为85.0%

异质中空结构微纳材料的构建

异质中空结构是指壳层由不同成分组成的空心微纳结构.通过对异质中空结构的表面性质和传质过程进行调控,可以调控经过中空结构的物质及能量.目前,异质中空结构在太阳能转化、气体传感、电化学储能和药物运输等领域展示出了优异的性能,对异质中空结构的设计与构建已成为新型多功能先进材料研究的前沿领域.本文总结了异质中空结构的种类、特征和性能优势,重点描述了各类异质中空结构的制备方法,并探讨了异质中空结构微纳材料面临的挑战及发展趋势

异质中空结构微纳材料的构建

异质中空结构是指壳层由不同成分组成的空心微纳结构.通过对异质中空结构的表面性质和传质过程进行调控,可以调控经过中空结构的物质及能量.目前,异质中空结构在太阳能转化、气体传感、电化学储能和药物运输等领域展示出了优异的性能,对异质中空结构的设计与构建已成为新型多功能先进材料研究的前沿领域.本文总结了异质中空结构的种类、特征和性能优势,重点描述了各类异质中空结构的制备方法,并探讨了异质中空结构微纳材料面临的挑战及发展趋势

养马岛附近海域藻华期间有色溶解有机质的生物可利用性研究

本研究利用吸收光谱和荧光激发-发射矩阵光谱-平行因子分析(EEMs-PARAFAC),研究了养马岛附近海域海水中有色溶解有机质(CDOM)的浓度、组成、来源和生物可利用性,并估算了浮游植物生长繁殖对CDOM及具有生物可利用性CDOM的贡献。结果表明,表、底层海水中CDOM浓度(以吸收系数a350计)平均值分别为1.62±0.42 m-1和1.30±0.47 m-1,光谱斜率(S275-295)平均值分别为0.022± 0.003 nm-1和0.023±0.003 nm-1。利用PARAFAC模型识别出4种荧光组分,分别为陆源类腐殖酸C1、类色氨酸C2、类酪氨酸C3和微生物源类腐殖酸C4。荧光指数(FIX)、腐殖化指数(HIX)和生物指数(BIX)显示,CDOM受陆源输入和海洋自生源的综合影响。降解实验结果显示,表、底层海水中生物可利用性CDOM百分比(%Δa350)平均值分别为(23.36%±17.94%)和(8.93%±20.30%)。C1、C2和C4组分的荧光强度在培养之后降低,而C3组分的荧光强度上升。各荧光组分生物可利用性依次递减的顺序为:%ΔC1(23.75%±8.96%)>%ΔC4 (20.83%±11.71%)>%ΔC2 (11.67%±38.87%)>%ΔC3(-29.61%±39.90%),显示培养之后CDOM的平均分子量和腐殖化程度降低。表层海水中a350、%Δa350与Chl a之间存在显著线性相关关系,据此可以估算出浮游植物生长繁殖对CDOM的贡献为36.9%,对具有生物可利用性CDOM的贡献为85.0%

养马岛附近海域藻华期间有色溶解有机质的生物可利用性研究

本研究利用吸收光谱和荧光激发-发射矩阵光谱-平行因子分析(EEMs-PARAFAC),研究了养马岛附近海域海水中有色溶解有机质(CDOM)的浓度、组成、来源和生物可利用性,并估算了浮游植物生长繁殖对CDOM及具有生物可利用性CDOM的贡献。结果表明,表、底层海水中CDOM浓度(以吸收系数a350计)平均值分别为1.62±0.42 m-1和1.30±0.47 m-1,光谱斜率(S275-295)平均值分别为0.022± 0.003 nm-1和0.023±0.003 nm-1。利用PARAFAC模型识别出4种荧光组分,分别为陆源类腐殖酸C1、类色氨酸C2、类酪氨酸C3和微生物源类腐殖酸C4。荧光指数(FIX)、腐殖化指数(HIX)和生物指数(BIX)显示,CDOM受陆源输入和海洋自生源的综合影响。降解实验结果显示,表、底层海水中生物可利用性CDOM百分比(%Δa350)平均值分别为(23.36%±17.94%)和(8.93%±20.30%)。C1、C2和C4组分的荧光强度在培养之后降低,而C3组分的荧光强度上升。各荧光组分生物可利用性依次递减的顺序为:%ΔC1(23.75%±8.96%)>%ΔC4 (20.83%±11.71%)>%ΔC2 (11.67%±38.87%)>%ΔC3(-29.61%±39.90%),显示培养之后CDOM的平均分子量和腐殖化程度降低。表层海水中a350、%Δa350与Chl a之间存在显著线性相关关系,据此可以估算出浮游植物生长繁殖对CDOM的贡献为36.9%,对具有生物可利用性CDOM的贡献为85.0%