文秋香开题报告备份.pptx

两步固相法制备两步固相法制备Zn2SnO4多元多元复合光阳极及性能研究复合光阳极及性能研究答答 辩辩 人：文秋香人：文秋香专专 业：能源材料与工程业：能源材料与工程指导老师：庄稼（教授）指导老师：庄稼（教授）20132013级硕士研究生开题答辩级硕士研究生开题答辩主要内容主要内容2一、研究背景及意义一、研究背景及意义二、国内外研究现状二、国内外研究现状三、选题的理论依据三、选题的理论依据四、研究内容及技术路线四、研究内容及技术路线五、预期结果及进度安排五、预期结果及进度安排主要内容主要内容3一、研究背景及意义一、研究背景及意义二、国内外研究现状二、国内外研究现状三、选题的理论依据三、选题的理论依据四、研究内容及技术路线四、研究内容及技术路线五、预期结果及进度安排五、预期结果及进度安排4一、研究背景及意义一、研究背景及意义 材料材料信息信息能源能源5一、研究背景及意义一、研究背景及意义寻找替代能寻找替代能源刻不容缓源刻不容缓6一、研究背景及意义一、研究背景及意义储量大储量大污染小污染小可再生可再生水能水能太阳能太阳能风能风能生物质能生物质能替代能替代能源要求源要求地热能地热能潜力大潜力大资源丰富资源丰富开发利用开发利用技术较成熟技术较成熟一、研究背景及意义一、研究背景及意义7硅基太阳能电池硅基太阳能电池化合物薄膜太阳能电池化合物薄膜太阳能电池效率很高、性能稳定，制备工艺较成熟成本高、制备过程污染大能耗低、制备工艺简单，能耗低、制备工艺简单，原料丰富、环境污染小原料丰富、环境污染小效率低效率低成本有所降低，效率较高部分元素污染环境、或储量有限，限制电池广泛应用 便携、适合制备柔性电池 效率低，对氧、水较为敏感稳定性差太阳能太阳能太阳能太阳能电池电池电池电池有机太阳能电池有机太阳能电池染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池一、研究背景及意义一、研究背景及意义8 染料敏化太阳能染料敏化太阳能电池电池是（是（DSSC）由）由光阳极光阳极（导电基底、半（导电基底、半导体薄膜、敏化剂导体薄膜、敏化剂）、）、电解质和电解质和Pt对电极对电极组组成的三明治夹心状电成的三明治夹心状电池池。DSSC结构及工作原理图结构及工作原理图9 9基底材料基底材料光阳极光阳极材料材料染料染料电解质电解质对电极对电极研究方向：光阳极材料研究方向：光阳极材料一、研究背景及意义一、研究背景及意义优异的光阳极材料、结构组优异的光阳极材料、结构组合将对提升电池效率有着很合将对提升电池效率有着很大帮助。因此，对其的研究大帮助。因此，对其的研究具有很大的研究价值。具有很大的研究价值。主要内容主要内容10一、研究背景及意义一、研究背景及意义二、国内外研究现状二、国内外研究现状三、选题的理论依据三、选题的理论依据四、研究内容及技术路线四、研究内容及技术路线五、预期结果及进度安排五、预期结果及进度安排11二、国内外研究现状二、国内外研究现状TiO2ZnOSnO2Zn2SnO4SrTiO3Nb2O5CdS光阳极光阳极种类种类由于受到电子由于受到电子传输速度及染传输速度及染料性能的影响。料性能的影响。目前，转换效目前，转换效率率13%13%左右。左右。本课题本课题研究对象研究对象多元复合多元复合光阳极光阳极12 此两项研究证实了其作为光阳极材料的可能性，也为此两项研究证实了其作为光阳极材料的可能性，也为DSSC光阳极材料开辟了新的路径。光阳极材料开辟了新的路径。历史历史Zn2SnO4光阳极研究现状光阳极研究现状 2007年，年，Teresa Lana Villarreal等人采用水热法，制备等人采用水热法，制备出出Zn2SnO4纳米粒子；首次将其应用到纳米粒子；首次将其应用到DSSC中，光电转换效中，光电转换效率为率为1.1%。同年，美国俄亥俄州立大学的同年，美国俄亥俄州立大学的Bing Tan等人用溶剂热方等人用溶剂热方法制备的法制备的Zn2SnO4，在在DSSC中的达到了中的达到了3.8%的光电效率。的光电效率。131.1.制备制备 方法方法Zn2SnO4光阳极研究现状光阳极研究现状 目前，关于纳米材料的制备方法多种多样（气相法、液相法、固相法）。Zn2SnO4的制备方法主要是液相法，（包括水热法1、溶剂热法2等），此外还有气相沉积法3等。水热法以其独特的反应条件，在纳米材料的制备上，仍占据一定优势。但由于其反应周期较长，产率低限制了该方法的进一步推广应用。1.Teresa Lana-Villarreal,Gerrit Boschloo,Anders Hagfeldt.J.Phys.Chem.C,2007,111:5549-55562.Bing Tan,Elizabeth Toman.J.Am.Chem.Soc,2007,129:4162-4163.Jiajun Chen,Liyou Lu,Wenyong Wang.J.Phys.Chem.C,2012,116:10841-10847纳米线4:Zn2SnO4，暗电流降低，使得电池的Voc增加0.1V；纳米片5:层状Zn2SnO4纳米粒子；（光散射增加、电子传递速度增加）微球结构6：SnO2-Zn2SnO4；（水热法、旋涂法）纳米棒阵列7：ZnO-Zn2SnO4（两步水热法）142.2.形貌形貌结构结构Zn2SnO4光阳极研究现状光阳极研究现状4.Jiajun Chen,Liyou Lu,Wenyong Wang.J.Phys.Chem.C,2012,116:10841-108475.Yu-Fen Wang,Ke-Nan Li,Yang-Fan Xu.Nano Energy,2013,2:128712936.Ming Liu,Junyou Yang,Shuanglong Feng.Materials Letters,2012,76:2152187Tanujjal Bora,Htet H.Kyaw,Joydeep Dutta.Electrochimica Acta,2012,68:141-145表面处理：Al3+表面处理8、TiCl4表面处理9；模板剂处理10：聚苯乙烯，分层大孔的Zn2SnO4；不同孔径的阳极材料表现出了不同的性能，孔径越小效率越好；双层结构11：光散射层和染料吸附层（纳米片+多孔结构）；复合光阳极6-7：SnO2-Zn2SnO4、ZnO-Zn2SnO4。153.3.优化优化改性改性Zn2SnO4光阳极研究现状光阳极研究现状8.Yafeng Li,Xiangzhen Zheng,et al.Electrochimica Acta,2011,56:9257-92619.Seong Sik Shin,Ju Seong Kim,et al.ACS.NANO.,2013,7(2):1027-103510.Yu-Fen Wang,Ke-Nan Li,Yang-Fan Xu.Nano Energy,2013,2:1287129311Long-Bin Li,Yu-Fen Wang,Hua-Shang Rao,et al.ACS Appl.Mater.Interfaces,2013,5:11865-11871Zn2SnO4具备作为具备作为DSSCDSSC光阳极材料的光阳极材料的潜力，并已表现出潜力，并已表现出较好的光电性能性较好的光电性能性能能1212。Zn2SnO4制备方制备方法的改进、结构法的改进、结构的优化与改性处的优化与改性处理可作为今后重理可作为今后重要的研究方向。要的研究方向。研究现状表明研究现状表明12.Yu-Fen Wang,Ke-Nan Li,Yang-Fan Xu.Nanoscale,2013,5:5940-59481 1、本课题拟采用、本课题拟采用两步固相法两步固相法制备制备Zn2SnO4多元复合光多元复合光阳极材料；（高效、高产）阳极材料；（高效、高产）2、寻找新的、寻找新的、性能优异的、性能优异的Zn2SnO4多元复合体系，多元复合体系，提升电池的效率提升电池的效率。(Zn2SnO4、Zn2SnO4/Sn2O、Zn2SnO4/Sn2O/ZnO等等)主要内容主要内容17一、研究背景及意义一、研究背景及意义二、国内外研究现状二、国内外研究现状三、选题的理论依据三、选题的理论依据四、研究内容及技术路线四、研究内容及技术路线五、预期结果及进度安排五、预期结果及进度安排18三、选题的理论依据三、选题的理论依据 根据低热固相配位化学理论，低温条件下的定性合成与分子根据低热固相配位化学理论，低温条件下的定性合成与分子自组装，模板剂的存在可制备多种排列的纳米材料；自组装，模板剂的存在可制备多种排列的纳米材料；(前驱体前驱体)高温烧结可提高晶体的结晶性，改善纳米材料的性能，获得高温烧结可提高晶体的结晶性，改善纳米材料的性能，获得性能稳定的产物；性能稳定的产物；(成品成品)目前有研究者已采用低热固相法制备出目前有研究者已采用低热固相法制备出LiMn2O4 13、NiCo2O4 14等复合氧化物；等复合氧化物；两步固相法两步固相法Zn2SnO4（多元（多元复合光阳极）复合光阳极）13.黄玉代,李娟,贾殿赠.无机化学学报,2004,20(7):837-84114.庄稼,迟艳华,王栋.无机材料学报,2007,22(1):40-44本课题已设计体系反应如下：本课题已设计体系反应如下：2Zn(NO3)26H2O+SnCI45H20+8NaOHZn2Sn(OH)8+4NaC1+4NaNO3+17H2O Zn2SnO4（ZnO/SnO2）19三、选题的理论依据三、选题的理论依据常见半导体光阳极材料禁带宽度对比常见半导体光阳极材料禁带宽度对比禁带宽度（eV）禁带宽度（eV）TiO2(金红石)3.0Zn2SnO43.6 TiO2(锐钛矿)3.2 ZnO3.2SnO23.5常见半导体电子迁移率常见半导体电子迁移率对比对比15-1615-16 TiO2SnO2ZnOZn2SnO4电子迁移率cm2 V-1 s-10.1-1.0100-200200-100010-15 禁带宽度禁带宽度电子迁移率电子迁移率15.T.J.Coutts,D.L.Young,et al.Journal of Vacuum Science and Technology A,2000,18:2646-266016 Wang Y,Tian J,Fei C,et al.The Journal of Physical Chemistry C,2014.20三、选题的理论依据三、选题的理论依据 两步固相法优势：操作简单、能耗低、无污染、生两步固相法优势：操作简单、能耗低、无污染、生产效率高、产物产率高等优点，目前已广泛应用于纳米产效率高、产物产率高等优点，目前已广泛应用于纳米材料的合成；材料的合成；Zn2SnO4多元复合体系多元复合体系(Zn2SnO4、Zn2SnO4/Sn2O、Zn2SnO4/Sn2O/ZnO)，可将各组分的劣势得到部分抑制，可将各组分的劣势得到部分抑制，长处得以发挥，最终有望产生长处得以发挥，最终有望产生1+12的效果。的效果。根据以上理论依据，以及目前实验的进展，根据以上理论依据，以及目前实验的进展，可知此课题方案是可行的，并且将会取得不错可知此课题方案是可行的，并且将会取得不错的研究成果。的研究成果。主要内容主要内容21一、研究背景及意义一、研究背景及意义二、国内外研究现状二、国内外研究现状三、选题的理论依据三、选题的理论依据四、四、研究内容及技术路线研究内容及技术路线五、预期结果及进度安排五、预期结果及进度安排四、研究内容、技术路线四、研究内容、技术路线1、研究课题将、研究课题将首次采用两步固相法首次采用两步固相法制备制备Zn2SnO4多元复多元复合光阳极材料合光阳极材料(Zn2SnO4、Zn2SnO4/Sn2O、Zn2SnO4/Sn2O/ZnO)，并应用到，并应用到DSSC;2、对对Zn2SnO4多元复合体系，通过调整各组分比列，优多元复合体系，通过调整各组分比列，优化制备条件来进行化制备条件来进行体系优选体系优选；3、优选出性能、优选出性能最优的体系最优的体系，进行，进行优化处理优化处理（表面改性），（表面改性），进一步提升电池的光电转换效率；进一步提升电池的光电转换效率；22反应原料的优选反应原料的优选实验参数实验参数控制控制结构表征结构表征Zn2SnO4低热固相低热固相合成实验合成实验光阳极薄膜光阳极薄膜成成膜膜剂剂造造孔孔剂剂粘粘接接剂剂染料、对电染料、对电染料、对电染料、对电极、电解质极、电解质极、电解质极、电解质选出性能最优选出性能最优的光阳极体系的光阳极体系中温固相中温固相热处理热处理多元复合多元复合体系体系简易简易DSSC性能表征性能表征四、研究内容、技术路线四、研究内容、技术路线获得最优结构，获得最优结构，提高电池性能提高电池性能优化处理优化处理优化处理优化处理总结总结撰写论文撰写论文主要内容主要内容24一、研究背景及意义一、研究背景及意义二、国内外研究现状二、国内外研究现状三、选题的理论依据三、选题的理论依据四、研究内容及技术路线四、研究内容及技术路线五、预期结果及进度安排五、预期结果及进度安排预期结果预期结果1、采用两步固相法，成功制备出、采用两步固相法，成功制备出Zn2SnO4多元复合光阳多元复合光阳极材料，应用到极材料，应用到DSSC中，具有较好的光电转换性能；中，具有较好的光电转换性能；2 2、能获得光电转换效果最优的多元复合光阳极体系；、能获得光电转换效果最优的多元复合光阳极体系；3 3、对最优体系进行优化处理后，提升电池的光电转换性、对最优体系进行优化处理后，提升电池的光电转换性能；能；最后，希望能拓宽固相法在最后，希望能拓宽固相法在DSSCDSSC研究领域的应用范围，研究领域的应用范围，降低电池成本，为电池的广泛应用提供参考降低电池成本，为电池的广泛应用提供参考。25可能存在的问题可能存在的问题1 1、与液相法相比，固相法的反应环境均匀性较差，可与液相法相比，固相法的反应环境均匀性较差，可能导致产物粒径具有一定差异能导致产物粒径具有一定差异；（；（研磨反应时间，微研磨反应时间，微量分散剂量分散剂）2 2、制备多元体系时，组分比列的调整、体系的优选将、制备多元体系时，组分比列的调整、体系的优选将会是此次研究的重点；（严控各反应组分的量）会是此次研究的重点；（严控各反应组分的量）26进度安排进度安排27 本文计划分五个阶段实施完成：本文计划分五个阶段实施完成：（1 1）20142014年年8 8月月20142014年年9 9月：阅读文献、搜集最新信息，月：阅读文献、搜集最新信息，确定详细的实验方案；确定详细的实验方案；（2 2）20142014年年1010月月20152015年年5 5月：月：Zn2SnO4多元复合光阳极多元复合光阳极材料材料的制备的制备、体系优选及其性能表征、体系优选及其性能表征（3 3）20152015年年6 6月月20152015年年8 8月：后续的优化实验月：后续的优化实验（4 4）20152015年年9 9月月20152015年年1 11 1月：撰写论文月：撰写论文（5 5）20152015年年1 12 2月月20162016年年3 3月：补充实验，完善论文月：补充实验，完善论文28请各位老师提出宝贵意见，谢谢！请各位老师提出宝贵意见，谢谢！