《纳米材料的设计合成及光电性能》

纳米结构光电功能材料具有比宏观材料更优越的光学、电学以及表面特性,在能量转化、储能器件、催化等研究领域受到广泛关注。阐明纳米光电功能材料的微观结构与其光、电性质之间构效关系,设计高质量异质接触界面,提升载流子在界面处的传递和分离效率,开发纳米光电功能材料的廉价、绿色制备工艺,在完善光电功能材料相关基础理论、提升材料性能参数以及拓宽材料应用领域等方面具有重要科学意义。高质量异质界面石墨烯基复合材料的合成手段、氧化物半导体功能材料微观组装结构对其光吸收及光电子输运性质的影响规律有待于进一步深入系统研究;高性能生物质碳材料的生产工艺复杂、能耗高,研究简单可控、成本低廉的制备策略,有望提高生物质碳材料应用价值。

项目以过渡金属化合物、石墨烯复合材料以及碳基光电功能材料为基础,设计、合成了系列高性能纳米结构光电材料,通过调控材料组成、微观结构、表面和界面特性,优化其本征电子结构、载流子迁移和传质动力学过程,提高其在敏化光伏电池、储能器件及光催化等方面的性能,取得如下重要科学发现:

(1)TiO2亚微米组装结构的周期性光散射增强效应。项目在敏化光伏电池光阳极研究中发现亚微米尺寸TiO2组装结构可以周期性散射可见区特定波长的入射光,从而增强敏化光伏电池光阳极在可见光区的吸收能力;结合理论计算进一步证实散射周期增强效应与材料尺寸之间的关系,提出尺寸依赖光散射增强规律。该成果可为光阳极材料的结构设计提供指导,对提升TiO2组装结构在敏化光伏电池及可见光催化中的性能具有重要理论意义。

(2)化学键桥连法提升石墨烯复合材料异质界面质量。项目在国内较早开展了石墨烯及其复合材料的研究工作,提出利用化学键桥连法构筑石墨烯基复合材料界面结构,借助不同组分之间化学键桥连作用,形成具有良好电子迁移效率的异质界面,通过复合材料各组分的双电层和法拉第电容贡献,提升超级电容器的能量密度、功率密度和循环稳定性;通过化学键桥连界面的快速电荷交换,协同利用石墨烯高导电性及活性成分的催化活性,大幅提升敏化光伏器件光电转换效率。

(3)绿色、高效惰性熔盐密封法生物质碳材料制备工艺。项目首次提出惰性熔盐密封法制备生物质碳的全新工艺,借助高温熔盐介质的液封作用隔离空气,以及熔盐离子的刻蚀造孔,经一步碳化、活化处理生物质前驱体,制备出系列高孔隙率和比表面积的异质元素掺杂多孔碳材料。该工艺避免了惰性气氛的使用,显著降低了制备成本和能耗,同时避免了高腐蚀性和高毒性造孔剂的使用,可用于该类生物质碳的商业化生产。

项目先后获得3项国家自然科学基金及1项河南省高校科技创新团队资助;2012年以来发表SCI研究论文109篇,其中JCR一区论文46篇,二区论文51篇,其中3篇一区论文入选EIS高被引论文;获授权国家发明专利6件。项目获得2019年河南省教育厅科技成果一等奖,2012-2016年发表论文68篇,JCR一区论文26篇,二区论文32篇。8篇代表性论文他引644次,单篇最高被引128次,1篇入选ESI高被引论文。

  1. 下载详细PDF版/Doc版

提示:为方便大家复制编辑,博主已将PDF文件制作为Word/Doc格式文件。