一种染料敏化太阳能电池用过渡金属-氮共掺杂碳纳米管@介孔碳复合对电极材料制造技术

本发明专利技术公开了一种染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料：过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料是由过渡金属/氮掺杂碳纳米管和介孔碳壳层组成，且介孔碳壳层是包覆在金属/氮共掺杂碳纳米管的外层构成管中管碳素异形界面结构，介孔碳壳层在复合对电极材料中的厚度为50

【技术实现步骤摘要】
一种染料敏化太阳能电池用过渡金属
‑
氮共掺杂碳纳米管@介孔碳复合对电极材料


[0001]本专利技术涉及染料敏化太阳能电池对电极材料
，具体为一种染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着日益增长的化石燃料消耗、大量的碳排放、以及严重的环境污染等问题，国内外研究人员开始探索绿色、环保以及能够持久生产能源的新技术，以实现未来能源的长久稳定供应。染料敏化太阳能电池作为一类代表性且十分有前景的光电转换技术，由于能够高效地将储量丰富、清洁无污染的太阳能直接转换成电能，且器件制作工艺简单、价格低廉，在最近几年受到了国内外研究人员的广泛关注。
[0003]染料敏化太阳能电池一般是由染料敏化的多孔二氧化钛光阳极、含有碘三根离子/碘离子氧化还原电对的电解液和对电极三部分组成。对电极是染料敏化太阳能电池器件中的重要部件之一，主要是用于收集和传输外电路电子以及催化还原电解液中的碘三根离子为碘离子，进而再生染料敏化剂，对电池的光电转换效率有很大影响。一般，理想的对电极材料需要满足4个条件：
①
突出的电子导电性；
②
快速的电解液离子扩散能力；
③
优异的电催化活性；
④
良好的化学稳定性。贵金属Pt是当前最常用且性能最佳的对电极材料。然而，Pt储量有限，价格昂贵，且化学稳定性不足（在腐蚀性的电解液中易生成非活性的PtI4），造成了其在染料敏化太阳能电池中难以规模化应用。因此，开发高效、稳定且低成本的新型非铂对电极材料成为规模化生产染料敏化太阳能电池的关键。目前开发的新型非铂对电极材料主要包括以下几类: 碳基材料（石墨、碳纳米管、石墨烯、多孔碳等）、金属化合物（金属碳化物、金属氮化物、金属硫化物、金属硒化物和金属磷化物等）、导电聚合物、合金以及它们的复合物。
[0004]碳基材料，拥有大量的缺陷位点，高的比表面积，开放的孔结构和优异的化学稳定性，是目前最受瞩目且已被广泛应用的新型非铂对电极材料。在不同的碳质材料中，介孔碳（NMC）因其丰富的介孔孔道、高的比表面积和大量的缺陷位点显示出良好的离子扩散与催化性能。因此，介孔碳作为新型碳质对电极材料表现出替代铂的巨大潜力。但介孔碳微米或毫米级的大颗粒尺寸导致其与导电玻璃（FTO）之间的结合力差，接触电阻大。其长程介孔孔道也延长了离子的传输路径，造成大的离子扩散阻抗和较小的离子可到达催化活性表面积。而且介孔碳为非晶态，碳原子呈无序排列导致其差的电子导电性，从而降低了碳颗粒之间的电子传输速率及碳颗粒子与集流体FTO之间的电子收集效率。因此，单一介孔碳的电催化性能通常低于贵金属Pt。另外，碳纳米管作为最具代表性的一维线性导电碳基体，已经被广泛作为导电载体与催化剂应用于电催化领域。但碳纳米管管壁由几乎完美的石墨烯片层依靠范德华力堆叠组成，缺陷活性位点少。同时，碳纳米管比表面积小，可利用表面及内部催化活性位点总数较少，因此纯的碳纳米管催化活性较低。由上可知单一类型碳材料的电催化活性通常低于贵金属Pt。最近，研究者们开始利用多种方式来提升纯碳材料的电催化
活性，包括同素异形转变、结晶程度调整、官能团嫁接、边缘缺陷构建、化学组分调控、形貌调变等。其中金属与氮杂原子掺杂能够改性碳骨架结构，不仅诱导碳原子呈电正性，增强其对带负电的电解液离子的静电吸附力，还能提高其电子导电性。同时形成的具有给电子能力的金属
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氮，金属
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碳与氮
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碳键也起到辅助催化的作用。
[0005]目前大多数情况下，构建新型碳
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碳复合材料选用的是异位机械物理混合方法。但是，通过异位机械混合制备的碳基复合材料中各碳素异形体之间粘合强度低，容易形成电接触不良的同质异形界面，产生较大的界面接触阻抗，从而降低了电子传输速率和电荷转移效率，最终导致较差的催化活性和较低的光电转换效率。因此，将非晶高活性氮掺杂介孔碳原位生长在导电性能优异的金属与氮共掺杂碳纳米管管壁表面构建具有管中管致密结合界面结构的碳
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碳复合材料是一种减小介孔碳粒径、缩短介孔孔道，从而减小离子扩散距离，提高离子扩散速率，同时提高介孔碳电子导电性能的有效途径。
[0006]因此，通过发展有效的合成方法，精准构建出具有管中管致密结合界面结构、缺陷位点充分暴露、大比表面积的碳纳米管与介孔碳复合材料，使其既具有较强的电子导电性、良好的离子扩散性、丰富且暴露的催化活性位点，又拥有良好的耐电解液腐蚀特性，能够实现复合组分间的最佳协同催化效应，进而提高复合对电极的催化活性及使用稳定性，满足染料敏化太阳能电池高光电转换效率与高稳定性的应用要求，是一个亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种能够构建出兼具丰富催化活性缺陷位点、较强电子导电性、良好离子扩散性、良好耐电解液腐蚀特性的新型复合结构，提高对电极的催化能力、使用稳定性以及电池的光电转换效率的染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料及其制备方法。
[0008]本专利技术的目的是这样实现的：一种染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料，其特征在于：所述过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料由过渡金属/氮共掺杂碳纳米管和介孔碳壳层组成，且介孔碳壳层包覆在过渡金属/氮共掺杂碳纳米管外层构成管中管结构，过渡金属包埋在氮掺杂碳纳米管的末端，过渡金属在复合对电极材料中的质量分数为10~20 wt.%；上述的过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料中，过渡金属为Fe，Co或Ni；上述的过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料中，氮掺杂碳纳米管的碳管直径为100~200 nm，碳管长度为5~10 μm，碳管壁厚度为10~30 nm，介孔碳外壳层厚度为50~200 nm，介孔尺寸为3~6 纳米，复合物比表面积为200~400 m2/g。
[0009]上述的过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料中，氮掺杂碳纳米管的氮浓度为1~3 at.%；一种上述染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：步骤1）、将2~4 g的碳/氮共源和0.5~1.5 g的过渡金属盐加入到10~15 mL的去离子水中，经过搅拌加热之后形成溶胶，随后继续在50~70 o
C下进一步加热形成凝胶，并将获
得的凝胶转移到管式炉中，在800 ~ 900 o
C下的惰性气氛中焙烧0.5 ~ 1小时，获得粉体产物A；步骤2）、将步骤1）中得到的1~2 g的产物A浸入到20~30 mL含有5
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10 g HNO3的水溶液中，产生的悬浮液于转移到不锈钢水热反应釜中在80 ~ 120 o
C下加热24 ~ 48小时，随后将获得的产物进行过滤、洗涤、干燥，获得粉体产物B；步骤3）将步骤2）本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种染料敏化太阳能电池用过渡金属
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氮共掺杂碳纳米管@介孔碳复合对电极材料，其特征在于：所述过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料由过渡金属/氮掺杂碳纳米管和介孔碳壳组成，且介孔碳壳层是包覆在金属/氮共掺杂碳纳米管的外层构成管中管碳素异形结构，过渡金属包埋在碳纳米管末端。2.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料，其特征在于：所述过渡金属为Fe、Co或Ni。3.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料，其特征在于：所述氮掺杂碳纳米管的碳管直径为100~200 nm，碳管长度为5~10 μm，碳管壁厚度为15~30 nm，介孔碳外壳层厚度为50~200 nm，介孔尺寸为3~6 纳米，复合物比表面积为200~400 m2/g。4.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料，其特征在于：所述的氮掺杂碳纳米管的氮浓度为1~3 at.%。5.如权利要求1
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4所述的染料敏化太阳能电池用过渡金属/氮共掺杂碳纳米管@介孔碳壳复合对电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1）、将2~4 g的碳/氮共源和0.5~1.5 g的过渡金属盐加入到10~20 mL的去离子水中，经过搅拌加热之后形成溶胶，随后继续在50~70 o
C下进一步加热形成凝胶，并将获得的凝胶转移到管式炉中，在800 ~ 900 o
C下的惰性气氛中焙烧0.5 ~ 1小时，获得产物A；步骤2）、将步骤1）中得到的1~2 g的产物A浸入到20~30 mL...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾小兰，舒爽，刘俊，王硕，
申请(专利权)人：信阳师范学院，
类型：发明
国别省市：