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低维纳米材料合成、应用与理论研究

【摘要】: 本文主要开展了三个方面的研究:1)研究了铟基(In2O3和ITO)纳米线的合成以及材料表征;2)将纳米线应用到了燃料电池的研究中,观察纳米结构对微生物燃料电池输出特性的影响;3)利用第一性原理,对石墨烯和金属氧化物的界面进行了一些理论研究。 在第一部分中,我们使用Au纳米颗粒为催化剂,以In金属颗粒和氧气为反应源,采用VLS(vapor-liquid-solid)方法合成了单晶结构的In2O3纳米线。我们探索了不同温度下的合成,实验结果表明,源区的温度在800℃,反应区的温度在500℃时可以得到形貌较好的In2O3纳米线。其直径可以在20-100 nm之间控制。我们利用了XRD, SEM和TEM的材料分析方法对其进行了表征。电学测量的结果表明,In2O3纳米线的电阻为4.4×105Ω。此外,我们还利用In和Sn的金属颗粒与氧气为反应源,使用不同衬底,得到了直径在100-200 nm之间的ITO纳米线。XRD的分析结果表明,在SiO2和FTO衬底上生长的ITO纳米线具有不同的掺杂机理。对于前者而言,Sn是以间隙型杂质存在于ITO纳米线的晶格中,而对于后者,Sn是以替位性杂质存在。在TEM下对ITO纳米线作STEM分析,其结果表明,Sn的掺杂比率在5%左右。 论文的第二部分,我们构造了微生物燃料电池,以实现化学能向电能的转化。实验中我们采用了绿脓杆菌为产电微生物,葡萄糖溶液为燃料,氧气为电子接受者,对使用不同电极的燃料电池进行性能的测量。在电池的阳极部分,我们分别采用了平整的ITO玻璃,碳纤维布和高密度的ITO纳米线阵列作为电极。在阴极部分,则采用了负载有Pt纳米颗粒的碳纤维布和负载Pt/Ru纳米颗粒的纳米碳管阵列作为电极。实验结果表明,使用纳米结构将有效提高燃料电池的功率密度。使用高密度ITO纳米线阵列为阳极,负载Pt/Ru纳米颗粒的纳米碳管做阴极的燃料电池可以达到64.46 mW/m2的功率输出,其内电阻仅仅为4 kΩ。 在论文的第三部分,我们利用第一性原理对单层石墨烯和金属氧化物之间的界面做了理论研究。其结果表明,使用单晶的SiO2和Al2O3与石墨烯进行接触,石墨烯的能带失去了在锥形点附近的线性衰减而转变成半导体特性。与半金属特性的自由石墨烯相比,SiO2和Al2O3可以将石墨烯的禁带宽度提升至0.9 eV和1.8 eV。我们认为其禁带的出现源于对石墨烯大π键完整性的破坏。影响其完整性的因素包括界面的氧原子数目和氧原子在界面处的空间分布。我们认为以上研究可以为石墨烯在未来大面积石墨烯晶体管集成电路的应用上提供一些新的思路和方向。

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