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能源问题是人类未来发展的核心问题之一，而解决能源问题的途径包括开发新能源和更高效的利用现有能源。本研究围绕绿色无污染的太阳能，致力于设计和制备高效的纳米复合材料，应用于染料敏化太阳能电池器件和光降解反应中，以提升太阳能转换效率为目标，展开一系列研究。具体研究内容如下:
首先，将石墨烯引入到染料敏化太阳能电池中，从而延长了电子寿命，抑制了复合，同时也提升了光的利用率，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％。
其次，为了进一步揭示二氧化钛-石墨烯之间的电荷输运行为，借鉴了植物光合作用的原理，将太阳能转换过程简化为化学反应，并从结构上对功能基元进行模仿——通过层层自组装的方法构建了人造的二氧化钛-石墨烯垛叠结构。通过对垛叠结构的光电行为进行分析，发现二氧化钛-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能够在各波段，尤其是在染料难以利用的长波段，有效地提升光的漫反射，从而提升电池对光的吸收，获得更高的光利用率。该方法具有普适性，不仅使光电转换效率提升18％左右，而且不影响光阳极的结构和电子输运行为。
最后，进行了光催化材料的改性研究。通过计算模拟得出二氧化钛纳米片裸露的{001}晶面的可以与二维碳材料产生良好的化学键合。随后实验合成该纳米片，并与石墨烯、石墨炔进行复合，通过光催化降解亚甲基蓝的评价体系，发现TiO2(001)-石墨炔复合材料具有最强的光降解能力。进一步研究表明相对于石墨烯复合材料，引入石墨炔的复合材料具有更长的电子寿命，更多的杂质能级以及更强的氧化能力。