[发明专利]一种蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料及能量存储与转换技术领域，具体涉及一种蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜、制备方法及在光电转换方面的应用。

背景技术

在能源危机和环境问题的双重压力下，如何有效地利用太阳能这种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源来长期解决人类所面临的能源短缺问题已成为全世界科学家的研究课题。早在1839年法国科学家Edmond Becquerel便发现了光生伏特效应，自此人们便开始了将光能转换为电能或化学能的努力。无机半导体光活性纳米粒子具有原材料比较丰富、成本较低、工艺技术相对简单、性能稳定等优点，在大面积产业化生产中具有较大的优势。进一步提高无机半导体纳米材料的光电转换效率是其大规模市场化的重要前提。而光电极的转换效率受光能的捕获效率以及光生电子-空穴的分离及传递效率等因素影响，因此如何从这几方面着手进一步提高无机半导体材料光电转换效率成为材料科学和能源领域的重要课题。

石墨烯作为碳的一种同素异形体，具有独特的单原子层结构，展现了许多令人振奋的物理性质，例如石墨烯是目前世界上强度最高的材料(杨氏模量～1TPa)，理论比表面积高达2630m²/g，同时具有良好的导热性(～5000W/mK)和高速的载流子迁移率(200000cm²/Vs)。研究者们发展了多种方法将石墨烯应用于光伏领域，以获得增强的光电性能。例如，利用石墨烯的超薄、透光性良好且电性能优异的性质，可以作为导电玻璃的替代材料。将石墨烯和无机纳米材料杂化不但可以同时保留石墨烯和无机纳米粒子的原有特性，还能够产生新颖的协同性质。例如，研究者已经发现当TiO₂纳米粒子和石墨烯形成复合材料时，TiO₂纳米粒子牢固地镶嵌在石墨烯二维平面结构上，石墨烯成为光生电子传播的媒介，从而增加了电子在TiO₂纳米粒子-石墨烯杂化电极中的迁移速率，减少载流子复合。

通过构筑多级结构电极提高电极的光能捕获效率是提高光电转换效率的另一种有效途径。比如，以多次生长得到的高密度、树状半导体纳米线为光阳极的太阳能电池的光电转换效率比构建孤立的纳米线太阳能电池的效率高出近5倍(Nano Lett.2011,11,666.)。另外，采用三维枝化的纳米线异质结构，可以有效的减少光的全反射，结果表明相比氧化锌纳米线的LED器件，光输出功率提高21％(Adv.Funct.Mater.2014,24,3384.)。

通过分析以上提高半导体纳米粒子光电极转换效率的相关报道可以看出构筑多级结构的石墨烯/半导体纳米粒子复合薄膜光电极，同时提高光能捕获效率以及光生电子-空穴的分离及传递效率是提高光电转换效率的有效途径。但是关于这类多级结构的复合材料，目前国际上的相关报道还非常少。中科院过程所王丹研究员等通过模板法构筑了TiO₂/石墨烯多级有序的微介孔复合膜，这种材料展示了增强的光催化活性(ACS Nano 2010,5,590.)。华东理工大学张金龙教授等在石墨烯气凝胶上原位生长介孔TiO₂纳米晶，并研究了杂化材料的光催化及锂离子电池性能(J.Am.Chem.Soc.2014,136,5852.)。韩国成均馆大学Lee等报道了在石墨烯泡沫结构上生长ZnO纳米线用于生物标记物检测帕金森病(ACS Nano 2014,8,1639.)。但是这种杂化材料多级结构组装体在光电转换领域的相关报道还很少。本发明人提出了通过将TiO₂纳米粒子(P25)与氧化石墨烯共混，进而以水滴模板法构筑自支持的杂化蜂窝状仿生多孔膜(Adv.Funct.Mater.2013,23,2971.)。但是这种预混的方法缺少对纳米粒子的分布及取向的调控，不能避免纳米粒子在杂化薄膜中的聚集，无法形成多级结构，并且只适用于小尺寸(<200nm)的纳米粒子。鉴于目前还没有应用于光电转换的多级结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜的相关报道，因此发明低成本且易操控纳米粒子的分布及取向的宏量制备多级结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜、制备方法及在光电转换方面的应用，该石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜可用于光电转化器件的光电极，从而提高杂化光电极的光电转换效率。