一种碳纳米管阵列光阴极材料，以耐腐蚀的金属片为基底，在该基底表面制备有碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列竖直于基底，直径为(10-30)nm，长度为(1-3)μm。其制备方法是：利用磁控溅射等方法在金属片基底上镀一层催化剂薄膜；对镀了催化剂的基底进行还原；导入乙烯气体，冷却后制得碳纳米管阵列产物；放入紫外臭氧发生器中暴露后即可制得。该碳纳米管阵列光阴极材料，可应用于染料敏化太阳能电池。本发明专利技术的优点是采用碳纳米管阵列替代贵金属Pt、金属基底替代导电玻璃作为DSSC的光阴极，可有效地增大电解质与电极间的电荷转移，改善以TCO为基底的导电性能，减小电池内阻，降低成本，显示出潜在的替代Pt光阴极的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及染料敏化太阳能电池的制造，特别是一种应用于染料敏化型太阳能电 池中的碳纳米管阵列光阴极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
自1991年瑞士GrEtzel教授在染料敏化太阳能电池(DSSC)研究方面取得突破以 来(0，Regan, B.，Nature 1991，353，737.)，该类电池由于具有高效、低成本、低能耗、环境 友好等优点，显示出强大的商业应用前景，逐渐成为世界各国研究的热点。为此，国内外在 对DSSC的光阴阳极、电解质，生产工艺以及电池结构等方面均进行了不断的探索。其中，作 为DSSC重要组成部分的光阴极起着催化还原13_和电子转移的作用，其电催化性能对整个 DSSC的光电转换性能有着重要的影响。目前，贵金属Pt由于对13_的还原具有优越的催化 性能而成为主要的光阴极催化材料，但Pt金属资源匮乏，不利于电池成本降低及大面积推 广应用。因此，发展基于非贵金属的催化剂就成为当前光阴极研究的热点。近年来，以碳黑、 活性碳、碳球以及乙炔黑等传统碳材料作为光阴极催化材料已有文献报道(Papageorgiou， N.，Coord. Chem. Rev. 2004，248，1421.禾口 Huang，Ζ.，et al. Electrochem. Comm. 2007，9， 596.)，获得了一些进展。但依然存在难以形成快速有效的电子传输通道，与基底界面结合 力差，易引起剥落等问题，导致光阴极内阻大，电荷转移速度低，严重影响了 DSSC的光电转 换性能。因此，引入高导电性、具有良好催化活性的新型碳材料更具有实际应用价值。碳纳米管(CNTs)由于其独特的电子传导特性、表面微结构、中空结构以及巨大的 比表面积和高化学稳定性，已被广泛应用于催化剂载体、电化学修饰电极。而作为DSSC光 阴极催化材料，Suzuki等人首先报道了将单壁碳纳米管(SWCNT)经旋涂方法直接在FTO 导电玻璃上制得SWCNT光阴极用于DSSC中，测试结果表明由于SWCNT高的比表面积，表 现出对还原13_高的电化学活性，获得4. 5%的光电转换效率(Suzuki K.，et al. Chem. Lett. 2003,32,28.)。但关于在金属基片上生长碳纳米管阵列膜作为光阴极的制备及电催 化性能的研究以及在DSSC中的应用在国内外还鲜见报道。采用化学气相沉积的方法在耐 腐蚀金属基底上得到碳纳米管阵列，用作DSSC光阴极，碳纳米管阵列由于具有高度轴向导 电性的特点保证了从集流体中导入的电子能够快速传输到固/液反应界面处；由于碳纳米 管高的比表面积，有效地增进了电极与电解质间的接触，有利于提高其电催化活性；另外， 以金属片为基底，可以改善以导电玻璃为基底的导电性能，减小电池内阻，降低成本。因此， 探索碳纳米管阵列光阴极的制备方法，并对其电催化性能进行研究对于提高染料敏化太阳 能电池的综合性能以及降低电池的成本具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在问题和技术分析，提供一种碳纳米管阵列光阴极材 料及其制备方法和应用，该碳纳米管阵列结构，具有较大的比表面积和较多反应活性点，增 大了电解质与电极间的电荷转移，结合导电性好的金属基底，减小电池内阻，提高了电催化性能；以该碳纳米管阵列为光阴极，染料敏化纳米二氧化钛膜为光阳极，以r/i3-为电解质 构成的染料敏化太阳能电池，具有较高的光电转换效率。本专利技术的技术方案一种碳纳米管阵列光阴极材料，其特征在于以耐腐蚀的金属片为基底，在该基底 表面制备有碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列竖直于基底，直径为(10-30)nm，长度为(1_3) μ m0所述耐腐蚀的金属片为不锈钢片、钛片或镍片。一种所述碳纳米管阵列光阴极材料的制备方法，步骤如下1)利用磁控溅射或等离子体薄膜沉积的方法在耐腐蚀的金属片基底上镀上一层 催化剂薄膜；2)通入氢气与氩气或氮气的混合气体，对镀了催化剂的基底在500-700°C下进行 还原，流速为100-150ml/min，氢气与氩气或氮气的体积比为1:2;3)将氩气的流速降为50ml/min，，在500-700°C条件下，将乙烯气体在5MI^a压力下 以50ml/min的流量导入管式反应器中，5min后停止导入乙烯气体，在氩气的氛围下将反应 器冷却至室温后制得碳纳米管阵列产物；4)将制得的碳纳米管阵列产物放入功率为的紫外臭氧发生器中，暴露10-30 分钟，即可制得碳纳米管阵列光阴极材料。所述催化剂为铁、钴或镍纳米颗粒。一种所述碳纳米管阵列光阴极材料，应用于染料敏化太阳能电池，该染料敏化太 阳能电池为夹层结构电池，包括光阳极、光阴极和电解液，其中光阳极为染料敏化纳米晶二 氧化钛膜电极；光阴极为所述碳纳米管阵列光阴极材料；所述的电解液的配方为在乙腈 溶剂中，加入0. 6mol/L的1- 丁基-3"甲基咪唑碘盐，0. 03mol/L的碘，0. lmol/L的异硫氰 酸胍以及0. 5mol/L的叔丁基吡啶作支持电解质。一种所述染料敏化太阳能电池的制备方法，步骤如下1)采用丝网印刷的方法将二氧化钛浆料涂敷在氟掺杂的二氧化锡透明导电玻璃 (FTO)上，经450°C高温烧结30min后浸泡在钌基染料的乙醇溶液中吸附12小时制得电池 的光阳极；2)在染料敏化二氧化钛光阳极和碳纳米管阵列光阴极之间加入用于密封的 “surlyn”热塑性聚合物膜，通过热封机在90-110°C下加热20-30秒，使两个电极完全粘结 在一起；3)在光阴极背孔注入电解质溶液，并密封电解质注入小孔，制备成染料敏化太阳 能电池。本专利技术的优点在于采用碳纳米管阵列替代贵金属Pt、采用耐腐蚀导电性好的金属 基底替代导电玻璃(TCO)作为DSSC的光阴极，由于碳纳米管阵列具有较高的导电性及较大 的比表面积，可有效地增大电解质与电极间的电荷转移，对r/i3-具有较高的电催化性能， 而以金属片为基底，可以改善以TCO为基底的导电性能，减小电池内阻，降低成本，显示出 潜在的替代Pt光阴极的应用前景。附图说明图1为该碳纳米管阵列光阴极材料的电镜图，其中a)膜截面扫描电镜分析、b)碳 纳米管透射电镜分析。图2为该碳纳米管阵列光阴极材料的拉曼光谱图。图3为该碳纳米管阵列光阴极材料的阻抗谱图。图4为二氧化钛膜的电镜图，a)膜截面扫描电镜分析、b)膜表面扫描电镜分析。图5为染料敏化太阳能电池在光强为AMI. 5-100mff/cm2的模拟太阳光照射下的 I-V曲线图。具体实施例方式实施例碳纳米管阵列光阴极材料的制备，步骤如下1)采用耐腐蚀的不锈钢片作为载体，利用磁控溅射沉积系统在其表面沉积厚度为 5纳米的催化剂铁层作为生长碳纳米管的催化剂；2)将所述催化剂放入反应器内，通入氢气与氩气的混合气体，对催化剂在700°C 下进行还原，流速为lOOml/min ；氢气与氩气的体积比为1 2;3)将氩气以50ml/min的速度通入管式反应器中，加热到700°C。随后将乙烯气体 在5ΜΙ^压力下以50ml/min的流量导入管式反应器中。5min后关闭乙烯，在氩气的氛围下 将反应器冷却至室温后取出产物，得到在不锈钢片上竖直生长的直径为20nm，长度为2μπι 的多壁碳纳米管阵列。4)将制得的碳纳米管阵列放入功率为的紫外臭氧发生器中，暴露本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种碳纳米管阵列光阴极材料，其特征在于：以耐腐蚀的金属片为基底，在该基底表面制备有碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列竖直于基底，直径为（１０－３０）ｎｍ，长度为（１－３）μｍ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡锋石，袁志好，段月琴，杜学丽，王菁，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：12
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