高性能结晶面金属氧化物纳米单晶的制备及其光电转化性能

以不同剥离条件下得到的层状化合物纳米片为前驱体，利用in situ topotactic结构转变反应，用水热软化学控制形貌的合成新技术，制备出能暴露特定结晶面的钛、锌、镍及锰金属氧化物纳米单晶，并探讨其形成机理。解决传统方法无法控制纳米结晶暴露特定结晶面的难题。通过纳米表面分析和光电特性评价，阐明氧化物纳米单晶在特定结晶面上光触媒反应、色素吸附反应和色素增感的特性，确定各结晶面在光触媒、色素吸附等表面反应中的活性差异，使最大限度地利用结晶面的特性成为可能。关联层状化合物层的骨架结构与主要暴露结晶面的关系，建立具有高性能结晶面的氧化钛和氧化锌纳米单晶新合成方法，实现具有高性能色素增感特性和光触媒活性纳米单晶的合成，提高太阳能转化效率。本研究对于表面化学和无机材料化学的发展有着重要意义，为揭开纳米材料微结构与性能的相关性提供最直接、原创性的数据。

人类社会的持续发展正面临着两大难题的困扰，一个是能源危机，另一个是环境污染。因而寻找新的清洁能源、提高太阳能的利用效率、以及将人类生产，生活中产生的污染物从环境中有效清除是科技界关注的热点。过渡金属氧化物纳米粒子因具有良好的光电效应，可被用于分解有机分子、制作太阳能电池，以及分解水产生清洁能源氢气，因此，其能帮助人类社会解决这两个难题。由于光催化反应和色素吸附反应均发生在纳米粒子的表面，所以，纳米粒子表面晶格结构、形貌及大小等因素能影响其光电转化特性，进而影响到其作为光电极在色素增感太阳能电池和生产清洁能源H2中的应用，以及作为光催化剂在清除有机污染物中的效用。故控制合成具有高性能结晶面的纳米单晶是必要的。在本项目的研究中，以钛、铌、钒、锰等过渡金属的层状化合物为前驱体，基于拓扑化学结构转变反应机理，通过剥离、插层、离子交换等反应形式，利用水热软化学反应手段，可控制备能暴露特定结晶面和具有不同的形貌的氧化物纳米单晶。根据所得材料的纳米结构表征和光电性能评价结果，给出在不同反应条件下，过渡金属元素层状化合物通过原位拓扑转换反应形成新的层状纳米复合体和纳米单晶的形成机理，揭示层状化合物的骨架结构与主要暴露结晶面的关系，给出各个特殊晶面的暴露几率与光电性能的关系，建立可控制备暴露高性能晶面的新型功能型纳米光电陶瓷材料的新方法，建立暴露特殊晶面能提高纳米陶瓷材料光电性能的初步理论，为开发新型功能材料提供新思路。其科学价值主要表现在：（1）给出在水热/溶剂热软化学反应条件下，钛、铌、钒、锰等过渡金属元素层状化合物通过原位拓扑结构转换反应形成新的层状纳米复合体和纳米单晶的形成机理。（2）揭示了层状化合物的骨架结构与主要暴露结晶面的关系，实现特定结晶表面的选择合成，使表面反应发生的场所能被限定在特定的结晶面上。（3）首次给出钛等氧化物纳米单晶的表面原子排列与光电反应的关系，及色素的吸附特性与钛氧化物纳米单晶的表面结构关系，并揭示这些表面反应的机理。（4）建立可控制备暴露（010）晶面 Anatase 纳米单晶新方法，用该纳米单晶制成色素增感太阳能电池的最高短路电流密度接近 Arakawa 等提出的理论计算值。（5）首次建立了在色素增感太阳能电池性能参数与色素吸附参数之间的定量关系。提供了一种便捷地检测氧化钛纳米晶光电转化性能的方法，这为开发高性能色素增感太阳能电池创造了便利条件。