介孔碳CMK-3与氧化锌纳米粒子复合材料的合成表征及其光电性能研究.doc

介孔碳CMK-3与氧化锌纳米粒子复合材料的合成、表征及其光电性能研究 黄赟赟 中山大学化学与化学工程学院 广州 510275 摘要：介孔碳CMK-3是非硅系材料，其特有的组成与结构，加之高的比表面积、有序的孔径分布面，不但有利于传质，更易于主客体组装，使每单位物质有非常高的表面积和高浓度的活性点，与半导体量子点复合，有可能提高半导体的光电转换效率。本论文着重测试合成出来的ZnO/CMK-3纳米复合材料光电性能，主要通过紫外-可见光光谱、荧光光谱和光电流测试进行其性能的表征，研究其作为研发新型太阳能电池材料的可行性及其CMK-3对半导体ZnO量子点的光电性能影响。研究结果表明CMK-3特殊的介孔结构有助于提高半导体的光电转换效率，对研究新一代太阳能电池有重要意义。 关键词：介孔碳 半导体量子点 纳米复合物 光电转换效率 1 前言 近些年来以碳基或硅基和半导体纳米化合物组成的光电转换材料制备的新型高效太阳能电池，开创了太阳能电池的新世纪。在以碳基和半导体纳米化合物组成的光电转化材料中，碳纳米管因具有独特的结构、纳米级的尺寸、高的有效比表面积等特点，以其为载体负载半导体纳米化合物的应用研究最为显著。美国的Prashant V. Kamat教授先后制备了SWCNTs/CdS, SWCNTs/TiO2, SWCNTs/SnO2 , SWCNTs/CdSe【11】 等一系列纳米光电转化材料，并且通过对比试验验证了碳纳米管具有增大半导体光电流强度的性质。同时，Ryong Ryoo教授在2000年的J. Am. Chem. Soc【12】中报道了较碳纳米管具有均匀规整、纳米级的孔道结构，巨大的内比表面积以及三维网状结构等优点有序介孔碳CMK-3，之后在2001年的Nature中报道制备了在有序介孔碳上负载了高分散的金属铂，用于制备高效电极。Masaki Ichihara在2003年Adv .Mater中报道了有序介孔碳CMK-3和金属锂组成的可循环、高比电容值复合材料，它与SWCNTs与金属锂复合材料相比具有更高的比电容值，经研究发现是因为CMK-3具有三维网状的结构，与碳纳米管相比，具有更广泛的应用空间。 本课题预期以有序介孔碳CMK-3为基底负载可见光下可产生光电流的氧化锌纳米化合物，利用碳基可以有效提高半导体材料的光电流强度的性质，合成出性能稳定高效的三维网状的光电转化材料，可用于制备更加新型高效的太阳能电池。 2 实验 2.1 实验仪器与试剂 2.1.1 实验仪器 RF-5301PC荧光分光光度计（日本岛津）；UV-3150紫外可见分光光度计（日本岛津）；D/MAX2200粉末X射线衍射仪（日本RIGAKU）；JEM2010HR透射电子显微镜（日本株式会社）；CH Instruments 660 C电化学工作站（上海辰华）；Renishaw inVia拉曼光谱仪（英国雷尼绍）。 2.1.2 实验试剂 乙酸锌（天津大茂化工厂）；一水合氢氧化锂（广东光华化工厂）；无水乙醇（天津大茂化工厂）；正庚烷（天津大茂化工厂）；无水氯化锂(天津科密欧公司)；CMK-3（本所合成）。以上试剂皆为分析纯。 2.2介孔碳CMK-3与半导体ZnO量子点复合物的制备 2.2.1半导体ZnO量子点的合成 0.110gZnAc2·2H2O溶解在10ml无水乙醇中，在0℃下超声20min,加入含0.021gLiOH·H2O 的乙醇溶液10ml，超声15min，室温静置，加入正庚烷使ZnO析出，静置过夜，倾出上层清液，离心分离，用无水乙醇与正庚烷的混合液（V无水乙醇：V正庚烷=1：3），自然晾干。 2.2.2 介孔碳cmk-3与半导体ZnO量子点复合物的合成 含0.010gCMK-3的无水乙醇中0℃下超声40min，按2.2.1所示方法加入ZnAc2·2H2O和LiOH·H2O，制得复合材料。 同样的方法，保持CMK-3的，将ZnAc2·2H2O和LiOH·H2O的量分别提升到1mmol、1.5mmol和2mmol。 3 结果与讨论 3.1 CMK-3和ZnO/CMK-3复合物的电子显微镜分析 Fig 3-1. TEM images of (a,b) bare CMK-3 and (c,d) ZnO/CMK-3 from the different directions. 图3-1中（a,b）透射电镜图片很好的展示了未负载ZnO前的CMK-3（100）和（001）的形貌和内部结构。在图3-1(a) 中可以非常清晰的看到介孔碳由高度规则排列的实心碳柱组成的，这些碳柱的横截面呈规则的六边形，与文献中“是SBA-15的完美反复制体”相符，每个碳柱的直径约为7nm,相邻碳柱之间的距离约为3-4nm , 邻近碳柱的中心间距为10nm, 这与在图3-1(b) 介孔碳的纵向排列