层层组装石墨烯复合材料的可控合成及其在太阳能电池中的应用研究

This project has realized a smart design of using the principle of intercalation of composites into the preparation of functional graphene. Through the special planar and conjugated structures of porphrin and graphene, the functional macromoleculars will be effectively intercalated into the flakes of graphene oxide. A series of new graphene composites will be fabricated by changing the metal centers, the functional groups of porohyrins, and the arrangement modes of porohyrins in the graphene layers to obtain solar power battery, help to select photosensitizers with high efficiency and stability. These researches and results have very important meaning for the development of new functional graphene composites and the application of green environmental energy like solar power.

本项目的核心是将复合材料的插层合成法巧妙地运用于石墨烯功能化过程，恰当地利用卟啉分子和石墨烯分子独特的共轭π电子特性，将功能性大分子- - 卟啉化合物有效插入石墨烯层间，沿轴向构筑层层组装的卟啉化合物/石墨烯复合材料。通过改变石墨烯层间卟啉分子的结构、官能团及其在层间的排列方式，获得具有不同光电转换性能的系列新材料，用于制备太阳能电池，筛选活性高，稳定性好的太阳能电池光敏剂。该研究成果的发展和推广将促进石墨烯复合功能材料的可控合成，对实现绿色环保能源- - 太阳能的充分利用具有非常重要的意义。

项目背景：.自2004年曼彻斯特大学Geim教授首次获得了单层石墨烯后，由于其突出的导电、导热性能，良好的生物相容性和极大的比表面积，使其在催化、光电传感和电子等领域受到了强烈的关注。但同样因为石墨烯片与片之间有较强的π-π作用，容易产生团聚，使其广泛应用受到了大大限制。.项目主要研究内容.本项目提出将层状复合材料的插层合成法与石墨烯功能化过程有机结合的新方法，在不破坏石墨层状结构的前提下，通过插层合成法实现结构有序的层层组装卟啉石墨烯复合材料的合成。.①酸性氧化石墨（AGO）及氧化石墨烯前驱体(P-GEO)的合成及表征.②卟啉类化合物的合成及表征.③层层组装的卟啉化合物/石墨烯复合材料的合成及表征.④卟啉化合物/石墨烯复合材料的光电催化性质研究.重要结果、关键数据及其科学意义：.首先，在层层组装卟啉化合物/石墨烯复合材料的合成及性质研究中，我们课题组完成了石墨酸化（硝酸、盐酸、硫酸以及混酸）研究，研究结果表明天然石墨经硝酸:硫酸(1:3)混酸化处理后，不仅保持了良好的层状结构，而且在层间具有丰富的官能团，有利于石墨烯进一步功能化修饰。完成了系列Co3+、Fe3+、Mn3+卟啉化合物的合成及表征。课题组采用插层合成法，通过有机剥离剂分子的调节，探索了实现快速插层复合材料的合成路线，提出了合理的反应机理，成功制备了层层组装的锰卟啉/石墨烯复合材料，并对其催化氧气还原的电化学性质进行了测试。结果表明我们合成的新型石墨烯复合材料与市售的Pt/C或者Pd/C催化剂相比，具有良好的催化性能和稳定性，具有应用于太阳能电池的潜力。.其次，本项目探索了金属氧化物/石墨烯复合材料的可控合成，并取得了较好的研究成果。通过选择添加丙胺、尿素等有机小分子实现了不同形貌金属氧化物石墨烯复合材料的合成。采用一锅水热法，选择不同的金属离子，合成了Cu2O纳米立方体、Co3O4纳米棒、Ag纳米粒子、CoO纳米颗粒、α-Fe2O3纳米颗粒、CeO2空心球、MnO2纳米花石墨烯复合材料，对其电催化、光催化性质进行了详细的研究，为金属氧化物/石墨烯复合材料的可控合成及应用提供了有价值的信息。. 另外，还采用客体-客体交换法合成了锰卟啉/镧铌酸，亚甲基蓝/镧铌酸层状纳米复合材料，并对其电催化性能进行了详细研究。该方面的工作为我们进一步进行多元层层组装石墨烯复合材料奠定了基础。.