一维纳米材料的设计合成及其在光探测器和超级电容器中的应用

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从二十世纪九十年代早期碳纳米管的发现开始,由于它们迷人的物理性质及潜在的技术应用,研究者们对一维纳米材料研究的兴趣与日俱增。基于它们独特的几何特征,一维纳米材料将在下一代电子器件、光电器件、化学或生物传感器、能量收集、存储和转换器件的构建中发挥重要的作用。在上述这些器件中,因为光探测器和超级电容器成像技术、光通讯、下一代存储器、光电电路中的二进制开关和电源,起着至关重要的作用。由于设计和合成一维纳米材料的尺寸和形貌是其应用于光探测器和超级电容器的基础,然而目前在获得合适形貌、尺寸的一维纳米材料,实现对其物性的有效调控仍然缺乏有效的手段。另外,采用简单、经济的方法,对设计和合成一维纳米材料也具有重要的研究意义。  本研究主要内容包括:⑴采用溶剂热合成法在180℃反应24 h设计合成了直径为4μm Bi2S3微米花,该微米花由直径12 nm左右、长度1μm左右的纳米线组装而成。在此过程中,我们研究了表面活性剂、反应时间和氯离子(Cl-)对产物形貌的影响,首次发现氯离子(Cl-)能够调控Bi2S3的形貌能。最后,还研究了以Bi2S3微米花为基体的光电导可见光探测器。测试表明该器件在模拟太阳光下的光电流为暗电流的2个数量级,其响应时间和衰减时间分别为142 ms和151ms。⑵提出了一种新的混合溶剂热合成法制备了直径为4μm Bi2S3微米花,该微米花由直径为150 nm,长度为2μm的纳米柱组装而成。在此过程中,我们研究了反应时间、溶剂比对产物形貌的影响。我们还利用所合成的Bi2S3微米花和ITO电极通过简单滴涂的方法制备了一种简单光电导结构的可见光探测器,测试表明该器件在模拟太阳光下的光电流为暗电流50倍,其响应时间和衰减时间分别为227 ms和880ms。⑶发展了一种快速、温和的水热合成法,利用氨水调节溶液的pH,在130℃反应9 h制备了Bi2S3纳米杆,其直径和长度分别为50nm和1μm,该制备方法具有成本低、效率高的特点,适用于 Bi2S3晶体的大规模工业化生产。通过改变体系中铋硫比和氨水浓度控制Bi2S3的形貌和尺寸大小。最后,基于所制备的Bi2S3纳米杆,以金叉指电极组装了 Bi2S3可见光探测器。测试表明,该器件具有显著的光电响应性能。其光电流和暗电流的比值高达195,响应时间和衰减时间分别为371.66ms和386ms。⑷设计并成功地制备了NaV6O15纳米杆,即先利用水热法制备NaV6O15纳米带,该纳米片的宽度在50到100nm之间,长度可达数微米,优化了体系中的NO3-离子浓度。我们还研究了退火对NaV6O15纳米材料的影响,通过改变退火温度可调控最终产物的形貌和尺寸,获得了优化的退火温度,在该温度下得到了NaV6O15纳米杆,其长度和直径分别为500nm和100nm。最后,我们研究了退火前后NaV6O15的电化学性能差异,发现退火明显改善了NaV6O15电化学性能,原因是退火将非晶态NaV6O15转变成了晶态的NaV6O15。退火后的NaV6O15在电流密度为0.3A/g时的比电容为402.8F/g,1000次循环后的电容保持率为80%。⑸利用一种两步合成法成功制备了NiO@MnO2纳米片阵列核壳结构,即先在热的盐酸溶液中制备NiO纳米片阵列,该纳米片的厚度仅为10nm;再利用水热法在NiO纳米片阵列上沉积一层MnO2,最终得到了NiO@MnO2纳米片阵列核壳结构并研究了其电化学性能,在电流密度为3 mA/cm2时的面电容1.04F/cm2,同时该核壳结构还表现出良好的循环性能(5000次循环后的电容保持率92.3%)。最后,将该核壳结构直接用作正极、涂敷在泡沫镍上的活性炭用作负极组装了非对称超级电容器,该器件的体积能量密度和功率密度分别为为0.064mWh/cm3,5mW/cm3,表现出良好的循环性能。
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