光功能纳米材料的制备及其在光电转换和生物检测中的应用

论文摘要

本论文的研究工作涉及染料敏化太阳能电池（DSSCs）和稀土发光纳米材料这两部分。Ⅰ.光电功能纳米材料的制备及其在DSSCs中的应用DSSCs已经吸引了各国科学家的浓厚兴趣。为了提高固态/准固态DSSCs的光电转换效率和热稳定性,我们设计制备了两类导电率高、热稳定性好的凝胶电解质和含通道的新型TiO2薄膜。1)纳米复合凝胶电解质利用F原子和羟基（-OH）之间的氢键（O-H…F）作用,以纳米SiO2颗粒和含氟的离子液体为框架材料,以丁二腈或者离子液体为电解液溶剂,制备了两类热稳定性高、电导率高的纳米复合凝胶电解质。将它们组装成DSSCs,该DSSCs在室温下展现了较高的光电转换效率（5～6%）。重要的是,它们能够在一个宽的温度范围（20～80℃）正常工作,同时具有良好的长期稳定性;这些特性使该DSSCs拥有室外长期工作的前景。2)新型含通道的纳米TiO2薄膜将直径为30-50 nm的ZnO纳米线包裹到纳米TiO2薄膜中,随后通过盐酸腐蚀ZnO纳米线,获得了新型的含纹理通道的纳米TiO2薄膜,其中通道由薄膜表面的裂缝和膜内直径约为41nm的孔道组成。将含通道的纳米TiO2薄膜与固态/准固态电解质组装成DSSCs,发现这类DSSCs的光电转换效率比传统薄膜DSSCs的效率提高了15～30%。进一步研究表明引入通道有利于固态/准固态电解质渗进薄膜孔隙,从而改善界面接触/界面反应和提升DSSCs的光电性能。Ⅱ.稀土发光纳米材料的制备及其在生物研究中的应用。稀土发光纳米材料（RENPs）具有良好的化学和光学性质,是一类有潜力的生物发光标记物。RENPs生物应用的前提是制备水溶性的、表面有活性基团（如COOH,-NH2或者-SH）的RENPs。这里我们发展了几种简易和通用的方法来制备水溶性的、功能化的RENPs。1)氧化法制备羧酸功能化的稀土上转换发光纳米材料我们发展了一个新的、通用的合成途径来将疏水的稀土上转换发光纳米材料（UC-RENPs）转化成亲水的、羧酸功能化的UC-RENPs,该途径依赖于采用Lemieux-von Rudloff试剂将UC-RENPs表面的油酸配体氧化成壬二酸配体。这种氧化过程对UC-RENPs的形貌、相结构、成分、发光等没有明显的影响。另外,UC-RENPs表面的自由羧酸不仅使其能溶于水,而且便于其与生物分子（如链亲合素）进一步连接。我们利用链亲合素功能化的UC-RENPs构建了一类高度灵敏的DNA传感器,表明这种氧化方法获得的UC-RENPs是一类有潜力的生物发光标记物。2)微乳水热法一步制备氨基功能化的稀土上转换发光纳米材料我们发展了一类微乳水热法来一步制备氨基功能化的稀土上转换发光纳米材料（UC-RENPs）。以阴离子型表面活性剂（琥珀酸二（2-乙基己基）酯磺酸钠:AOT）、正庚烷和水溶液来构建三组分反相微乳,并在水相中加入6-氨基己酸作为配体。水热处理后得到水溶性的UC-RENPs,其表面氨基密度为（9.5±0.8）×10-5mol/g,而且该UC-RENPs样品能用于细胞上转换发光成像。3)室温反相微乳法一步制备羧酸功能化的发光纳米材料利用阳离子型表面活性剂（十六烷基三乙基溴化铵:CTAB）、正丁醇、正庚烷和水溶液构建了一类四组分的反相微乳体系。将含不同的阴阳离子的反相乳液混合,再引入含配体（戊二酸二钠）的反相微乳体系,室温下制备了水溶性的、羧酸功能化的稀土发光材料和其它材料。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 染料敏化纳米晶太阳能电池的研究进展
• 1.1 染料敏化纳米晶太阳能电池简介
• 1.2 DSSCs性能参数
• 1.2.1 IPCE
• 1 2.2 J—V曲线
• 1.3 纳米半导体电极的发展
• 1.4 染料敏化剂的发展
• 1.4.1 钌配合物
• 1.4.2 其它金属配合物敏化剂
• 1.4.3 纯有机染料
• 1.5 氧化还原电解质的研究进展
• 1.5.1 空穴传输材料介绍
• 1.5.2 液体电解质的发展
• 1.5.3 固态电解质的研究进展
• 1.5.4 准固态电解质的研究进展
• 1.6 本课题的设计思想及研究内容
• 参考文献
• 第二章 热稳定的纳米复合凝胶电解质的制备及高效DSSCs的组装
• 2.1 引言
• 2.2 丁二腈基纳米复合凝胶电解质
• 2.2.1 丁二腈基纳米复合凝胶电解质的设计思想
• 2.2.2 丁二腈基纳米复合凝胶电解质的制备及电池组装
• 2.2.2.1 试剂与材料
• 2.2.2.2 制备丁二腈基纳米复合凝胶电解质
• 2.2.2.3 前驱物和电解质的表征
• 2.2.2.4 DSSCs的组装和光电化学测试
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.3.1 体系的物理状态和热学性质
• 2.2.3.2 电解质的电学性质
• 2.2.3.3 各种电解质在DSSCs中的应用
• 2.2.4 本节结论
• 2.3 双元离子液体基纳米复合凝胶电解质
• 2.3.1 双元离子液体基纳米复合凝胶电解质的设计思想
• 2.3.2 双元离子液体基纳米复合凝胶电解质的制备
• 2.3.2.1 试剂与材料
• 2.3.2.2 制备电解质和组装DSSCs
• 2.3.2.3 电解质表征和电池性能测试
• 2.3.3 结果与讨论
• 2.3.3.1 胶凝效果分析和热学性质
• 2.3.3.2 电解质的电学性质
• 2.3.3.3 电解质在DSSCs中的应用
• 2.3.4 本节结论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2薄膜的制备及其在准固态/固态染料敏化纳米晶太阳能电池中的应用'>第三章 含传输通道的TiO₂薄膜的制备及其在准固态/固态染料敏化纳米晶太阳能电池中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与材料
• 2薄膜和新型含通道的TiO₂薄膜'>3.2.2 制备传统的TiO₂薄膜和新型含通道的TiO₂薄膜
• 3.2.3 组装DSSCs
• 3.2.4 物理表征和光电化学测量
• 3.3 结果与讨论
• 2膜的制备和表征'>3.3.1 TiO₂膜的制备和表征
• 2膜组成的DSSCs的性能分析'>3.3.2 两种TiO₂膜组成的DSSCs的性能分析
• 3.3.3 DSSCs示意图
• 3.4 本章结论
• 参考文献
• 第四章 用于生物检测的发光材料的研究进展
• 4.1 生物荧光标记
• 4.2 有机荧光材料
• 4.3 半导体荧光量子点
• 4.3.1 半导体量子点的特性
• 4.3.2 半导体量子点的制备和表面修饰
• 4.3.3 半导体量子点的生物应用
• 4.4 稀土纳米材料
• 4.4.1 稀土发光材料介绍
• 4.4.2 稀土材料的上转换发光机制
• 4.4.3 稀土纳米上转换发光材料的制备及其功能化
• 4.4.4 稀土上转换发光材料在生物标记中的应用
• 4.5 本课题的设计思想及研究内容
• 参考文献
• 第五章 羧酸功能化的稀土上转换发光纳米材料的制备及其在生物标记中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与材料
• 5.2.2 制备各种UCNPs
• 5.2.3 制备DNA传感
• 5.2.4 表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 UCNPs的制备和表征
• 5.3.2 UCNPs作为生物发光标记
• 5.4 本章结论
• 参考文献
• 第六章 反相微乳体系制备水溶性的、功能化的稀土发光纳米材料
• 6.1 引言
• 6.2 阴离子表面活性剂协助的微乳水热法制备氨基功能化的稀土上转换发光纳米材料
• 6.2.1 实验部分
• 6.2.1.1 试剂与材料
• 6.2.1.2 纳米材料的制备和表面氨基密度的测定
• 6.2.1.3 纳米材料表征
• 6.2.1.4 细胞培养和激光扫描上转换发光成像实验
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.2.2.1 UCNPs的制备和表征
• 6.2.2.2 UCNPs标记细胞
• 6.2.3 本节结论
• 6.3 阳离子型表面活性剂协助的微乳法室温制备羧酸功能化的纳米发光材料
• 6.3.1 实验部分
• 6.3.1.1 试剂与材料
• 6.3.1.2 羧酸功能化的纳米材料的制备
• 6.3.1.3 纳米材料表征
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.3.3 本节结论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 论文主要结论
• 附录 彩图
• 攻读博士期间论文发表情况
• 致谢