多组元纳米光电材料的结构与性能研究.pdf

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1、分类号：TB34密级：学校代码：11065学号：2015010002学术博士学位论文多组元纳米光电材料的结构与性能研究作者姓名刁飞玉指导教师王乙潜教授学科材料物理与化学培养单位物理科学学院答辩日期2018年5月12日摘要随着现代科学技术的飞速发展和全球人口的迅速增长，人们对能源的需求日益增多，化石能源消耗所带来的能源危机和环境污染是制约人类社会发展的严峻问题。开发可再生的清洁能源对于改善能源结构，推进生态文明建设，促进世界经济长远发展具有重要意义。太阳能作为一种新能源，总量巨大且清洁无污染，若能得到充分利用，不仅可以解除能源危机，还可缓解由于各种能源消耗所引发

2、的环境污染问题。比如，利用可见光催化降解有机污染物和开发光伏器件等新型发电装置来取代传统的热力发电。纳米光电材料是有效利用太阳能的重要媒介，然而传统的纳米光电材料，光电转换效率较低，严重限制了其产业化应用。随着纳米科技的发展，纳米光电材料由传统的单一相半导体材料逐步向多组元复合型半导体材料发展，如多组分金属氧化物纳米材料和多元钙钛矿型纳米材料。本论文深入地探究了金属氧化物纳米复合材料的光催化活性提升机制和钙钛矿太阳能电池材料的结构稳定性。主要研究内容如下：(1)针对金属氧化物纳米异质结构（Cu2O纳米颗粒/CuO纳米线）所呈现的优异光催化活性，利用密度泛函理论

3、对异质催化体系内的协同机理进行了细致的研究。研究结果表明，Cu2O和CuO之间的协同作用表现在体系内H2O2的自生成和自分解。H2O2在CuO表面的形成和在Cu2O表面的分解可持续不断的产生•OH自由基用于降解甲基橙。Cu2O的暴露面在•OH自由基的生产过程中起重要的作用，特别是H2O2的分解主要发生在Cu2O(111)面。此外，Cu2O和CuO之间合适的能带结构可使光生电子和I空穴实现有效分离，分别用于H2O2的自生成和自分解，促进光催化体系内的光生载流子不断地循环迁移，有效抑制电子和空穴复合。(2)采用热注射法制备出不同厚度的铯铅溴钙钛矿（CsPbBr3）

4、纳米砖。利用透射电镜对其微观结构进行了细致的研究，并结合密度泛函理论，证明了薄的CsPbBr3纳米砖结构中存在溴空位。在透射电镜电子束辐照下，原位探究了CsPbBr3纳米砖分解过程中的物相演变与结构演变，确定其分解产物为CsBr，Pb和Br2。(3)通过热注射法制备出不同形貌与结构的铯铅溴钙钛矿纳米材料，包括CsPbBr3纳米颗粒、CsPbBr3纳米薄片和Cs4PbBr6纳米链。透射电镜结果表明，Cs4PbBr6的稳定性最优，其次为CsPbBr3纳米颗粒，CsPbBr3纳米薄片的稳定性最差。此外，不同强度的电子束辐照条件可引发四方相CsPbBr23纳米颗粒的不

5、同的结构变化。当电子束流密度大于90pA/cm时，纳米颗粒的结构会被破坏；而当电子束流密度小于30pA/cm2时，四方相CsPbBr3会转变为立方相CsPbBr3。通过对其相变过程中的结构演变研究，提出了一种可能的相变机制。关键词：密度泛函理论；原位电子显微学；协同效应；相变机制IIAbstractWithrapiddevelopmentofmodernscientifictechnologyandfastincreaseofglobalpopulation,theenergydemandofhumanbeingisgrowing.However,thecon

6、sumptionsoffossilfuelenergyleadtoseriousenergycrisisandenvironmentalpollution,whichgreatlyhindertheprogressofhumansociety.Theexplorationofrenewableenergysourcesisofgreatsignificancetotheimprovementofenergystructure,theadvancementofecologicalcivilization,andthepromotionofeconomicdeve

7、lopment.Asaubiquitousenergysource,solarenergyisabundantandenvironmentallyfriendly.Thepracticalapplicationofsolarenergycouldnotonlysolveenergycrisisbutalsorelievetheenvironmentalpollutionbroughtbyfossilfuelconsumption.Forexample,thephotocatalysisusingvisiblelightisdevelopedtodegradeo

8、rganicpollutantsand