新型半导体微纳结构的可控合成及其在能源转换方面的应用

随着化石燃料的逐渐枯竭及环境问题的日益加剧，开发可再生的新能源和发展先进的能源存储技术成为当前国际社会亟待解决的热点问题，具有特定形貌与结构的半导体微纳结构的可控合成及其在能源转换方面的应用是目前材料科学研究的一个颇具挑战性的研究课题，也是当前胶体化学的一个重要研究方向。本项目将利用简单温和的胶体化学合成方法来实现具有特定形貌与结构的半导体微纳结构的可控合成，着力制备得到一系列较为新颖的、在能源转换方面有潜在应用价值的半导体微纳结构，例如一维半导体纳米结构及其有序阵列、中空及多孔半导体微纳结构和半导体参与构筑的复合微纳结构等。研究这些半导体微纳结构作为新型电极材料在太阳能电池和锂离子电池两方面的应用性能，并初步获得其形貌和结构对电池性能的一些影响规律。

具有特定形貌与结构的半导体微纳结构的可控合成及其在能源转换方面的应用是目前材料科学研究的一个颇具挑战性的研究课题。本项目尝试利用简单温和的胶体化学合成方法来实现具有特定形貌与结构的半导体微纳结构的可控合成，并探索新型微纳结构在能源转换等领域的潜在应用。主要取得了以下研究进展：(1) 分别通过自下而上的自组装法和自上而下的化学刻蚀法实现了无添加剂条件下半导体氧化物纳米孔介晶的溶液相可控制备。采用具有特殊配位功能的醋酸作为溶剂，在无需外加添加剂的条件下通过溶液中的介观自组装过程大批量合成了纺锤状的锐钛矿型TiO2纳米孔介晶。当被用作锂离子电池负极材料时，它呈现出显著增强的高倍率充放电性能。利用盐酸来对预先合成的氧化铁微米立方块进行选择性刻蚀，成功制备了具有新颖锥状外形的、由纳米棒有序堆积而成的α-Fe2O3多孔介晶。(2) 建立了一种通过动力学调控的策略在基底表面可控生长半导体氧化物介晶纳米棒阵列的通用方法。在水溶液中采用高浓度盐酸来控制钛酸四丁酯的水解动力学过程，在钛片基底上生长得到了具有多级有序结构的金红石型TiO2介晶纳米棒阵列，它呈现出优异的宽波段、宽角度减反射性能，同时具有显著的自清洁性能。采用独特的乙酸-乙醇-水三元混合溶液体系来对四氯化锡的水解动力学过程进行精细调控，实现了具有多级有序结构的SnO2介晶纳米棒阵列在任意惰性基底表面的可控生长。生长在钛片基底上的SnO2介晶纳米棒阵列呈现出优异的高倍率充放电性能。(3) 采用醋酸作为配位性溶剂，并以离子液体[bmim][BF4]作为形貌调控剂，成功合成出了大小均一且形貌规整的、同时具有{100}和{001}活性暴露面的锐钛矿型TiO2长方体颗粒。(4) 首次通过简单的低温溶液相方法制备了直立于钛片基底上的钛酸锂纳米片阵列，它可直接用作无粘合剂的锂离子电池负极，并呈现出优异的高倍率锂电性能和超长的循环寿命，在50 C的高充放电速率下循环3000次后，仍然能够保持124 mAh/g的容量。(5) 利用气液界面胶体球刻蚀法成功制备了基于硫化锌纳米碗阵列的二维光子晶体传感器，可以实现对有机溶剂的可视化检测和对抗生物素蛋白分子的灵敏检测。(6) 制备了PbS纳米粒子修饰的石墨烯光响应器件，它对可见光具有可逆的光响应，其响应度呈现出显著的波长依赖性，这可归因于半导体纳米粒子与石墨烯之间的独特电荷迁移过程。