一种蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜、制备方法及应用

摘要

一种蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜、制备方法及在光电转换方面的应用，属于无机纳米材料及能量存储与转换技术领域。本发明采用蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜作为光电转化器件的阳极，利用其提高光能的捕获效率和光生电子-空穴的分离及传递效率，获得了具有提高光电响应效率的石墨烯基半导体异质结器件。与石墨烯平膜/氧化锌纳米棒复合薄膜相比，蜂窝结构复合薄膜的光电响应性能提高了3倍。本发明的光电器件具有制备方法简单、光电转换效率提高明显并且与新型的石墨烯材料相兼容等优点。

主权项

一种蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜的制备方法，其步骤如下：1)氧化石墨烯/表面活性剂复合物的制备：a)将0.5～2g、粒径2～45μm的石墨粉，0.9～3.5g过硫酸钾以及0.9～3.5g五氧化二磷依次加入到4～16mL、质量分数98％的浓硫酸中，70～90℃下加热搅拌，5～10小时后停止加热，待混合物冷却至室温后用孔径0.2～0.5μm的醋酸纤维素膜过滤分离，并用去离子水洗涤，干燥过夜得到预氧化的石墨；b)将预氧化的石墨分散在15～60mL、0～5℃、质量分数98％的浓硫酸中，然后边搅拌边加入2～10g高锰酸钾，30～50℃下继续搅拌2～5小时，再加入50～200mL去离子水稀释，随后加入1～4mL、质量分数30％的过氧化氢水溶液，得到亮黄色产物；将产物过滤并依次用质量分数37.5％的盐酸与水的体积比为1：5～1：10的稀盐酸溶液、去离子水洗涤除去金属离子和多余的酸后，将得到的氧化石墨水溶液超声，离心分离取上清液，即得到氧化石墨烯水溶液；随后用1～3M碱液调节氧化石墨烯水溶液的pH为8～11；c)向上述2～50mL、浓度0.1～2mg/mL的氧化石墨烯水溶液中逐滴滴加0.1～2mg/mL表面活性剂的有机溶液，直到水相的颜色完全转移到有机相时停止滴加；随后移除水相，并通过旋转蒸发的方法移除有机溶剂后，25～100℃下进一步真空干燥得到氧化石墨烯/表面活性剂复合物；2)蜂窝结构石墨烯薄膜的制备：将10～100mg氧化石墨烯/表面活性剂复合物加入到10～100mL有机溶剂中，充分溶解后取10～200μL溶液浇筑到固体基底上，并在相对湿度60％～95％的范围内使有机溶剂挥发；待有机溶剂完全挥发后，形成蜂窝结构氧化石墨烯薄膜；随后将该薄膜放入反应釜中，并加入2～100μL还原剂，90～120℃加热1～30小时后取出，从而得到黑色的蜂窝结构石墨烯薄膜；3)蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米种子复合薄膜的制备：通过下面两种方法之一制备氧化锌纳米种子修饰的蜂窝结构石墨烯薄膜：Ⅰ)配制10～30mM的乙酸锌乙醇溶液10～30mL，将蜂窝结构石墨烯薄膜浸入到上述乙醇溶液中，20～50s后取出，氮气吹干；然后将该薄膜置于马弗炉内，氮气保护下200～300℃加热20～30分钟后取出，获得氧化锌纳米种子覆盖的蜂窝结构石墨烯薄膜；Ⅱ)将10～100mg乙酸锌加入到10～100mL无水甲醇中，40～80℃下加热搅拌充分溶解后，逐滴加入10～20mL、0.01～0.03M的氢氧化钠甲醇溶液；40～80℃加热搅拌1～5小时之后，得到球形的ZnO纳米晶种子；待纳米晶种子溶液自然冷却到室温之后，将蜂窝结构石墨烯薄膜浸入到上述溶液中5～20s后取出，使种子均匀覆盖蜂窝膜表面；4)蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜的制备：配制锌盐和六次甲基四胺的混合溶液，其中锌盐和六次甲基四胺的浓度为10～30mM，室温搅拌5～10分钟充分溶解后，将混合溶液转移到反应釜中，并将覆盖有氧化锌种子的蜂窝结构石墨烯薄膜浸入到混合溶液中，80～95℃加热4～6小时；反应结束后取出薄膜，并用去离子水反复冲洗薄膜后干燥，获得蜂窝结构石墨烯/氧化锌纳米棒复合薄膜。