同轴电纺皮芯结构无机纳米纤维膜的制备及其应用

【摘要】一维纳米材料相较于零维纳米粒子具有大的长径比，因此具有优异的电子传导性、力学性能等特性，吸引了电学、磁学、光学等科研工作者的兴趣，但是由于传统一维纳米材料的制备工艺复杂限制了其发展。而兴起于20世纪30年代的静电纺丝技术在构筑一维纳米材料方面具有原材料丰富、成本低、工艺简单等优点，近年来引起了越来越多无机纳米材料研究者的关注。表面包覆作为一种非常有效地提高材料性能的方法被广泛的应用于无机材料的改性，传统的包覆方法具有工艺复杂、包覆厚度不可控等缺点。因此，本文采用同轴静电纺丝技术直接制备了不同包覆厚度和不同包覆材料的皮芯结构纳米纤维，然后将其应用于染料敏化太阳电池(DSSC)、光催化和光致发光领域，利用热重分析仪(TGA)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)、X射线能谱分析仪(XPS)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)等表征手段对所制备的纳米纤维膜进行结构和形貌表征，研究了不同包覆材料和不同包覆厚度对材料的光电性能、催化性能和发光性能的影响。本文首先选用MgO和SnO2两种包覆材料，通过同轴静电纺丝技术制备了SnO2/TiO2和MgO/TiO2皮芯结构纳米纤维膜，经过一系列的工艺步骤最终组装成染料敏化太阳电池。TEM证明了MgO/TiO2和SnO2/TiO2皮芯结构纳米纤维的成功制备，其壳层厚度分别为65nm和60nm，XRD结果显示在煅烧过程中皮层中的Mg和Sn会进入晶格中，引起芯层TiO2的晶型改变。最终组装而成的MgO/TiO2和SnO2/TiO2纳米纤维基DSSC的光电转换效率分别为1.64%和1.48%，比纯TiO2基DSSC效率(1.27%)高，这是由于包覆层促进了电子与空位分离，抑制了电子复合，并且增加了染料的吸附量。随后，采用同轴静电纺丝技术制备了不同包覆厚度的SiO2/TiO2皮芯纳米纤维，研究不同的包覆厚度对TiO2催化性能的影响。研究发现，皮层包覆后在煅烧过程中皮层上的原子进入到了芯层TiO2晶格中，导致了其相转变温度降低，但是形成的异质节结构将利于电子空位的分离，提高其催化性能。BET结果显示皮芯纳米纤维的比表面积比纯TiO2纳米纤维的大，从而增加了催化剂与MB的反应面积。因此，皮芯纳米纤维表现出了较高的催化性能。通过不同包覆厚度的SiO2/TiO2皮芯纳米纤维降解亚甲基蓝(MB)发现随着包覆厚度的提高，其催化性能表现出了最大值。这是由于包覆厚度越大，电子的传输路径越大，其淬灭的概率越大，导致表面羟基自由基的数量减少，因此当皮层厚度为37nm时SiO2/TiO2皮芯纳米纤维表现出了最佳的催化性能。研究证明皮芯结构可以有效的去除表面淬灭中心而提高荧光剂的发光效率，但是迄今还没有关于包覆层对于纳米纤维荧光剂影响的研究。因此通过同轴静电纺丝制备了不同包覆厚度的Gd2O3/Y2O3:Eu3+皮芯纳米纤维。结果显示，当皮层流率较低时，更多的皮层原子进入到了芯层晶格中，抑制了芯层晶粒的长大，从而增加了淬灭中心的数量，而随着皮层流率的增大，皮层可以对芯层进行有效地包覆从而钝化表面缺陷，降低表面羟基和Eu3+的能量传递，提高了发光性能。当皮层的厚度超过极值，体内淬灭中心的增多会降低表面钝化效应的作用，最终导致本文中皮芯纳米纤维荧光剂的发光性能低于纯纳米纤维荧光剂。
【作者】曹厚宝；
【导师】熊杰；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】静电纺丝；皮芯结构；纳米纤维；染料敏化太阳电池；光催化；光致发光；

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