專利名稱：一種導(dǎo)電碳纖維/鉑納米材料的制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料的制備方法及在染料敏化太陽(yáng)能電池方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
自從1991年M. Gratzel教授制作了一種基于染料敏化納米多孔TiO2光陽(yáng)極,能量轉(zhuǎn)換效率為7. 1%的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)以來(lái)，染料敏化太陽(yáng)能電池由于其較高的理論轉(zhuǎn)化效率、相對(duì)簡(jiǎn)單的制作工藝以及成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛研究的熱點(diǎn)。目前，染料敏化太陽(yáng)能電池正朝著柔性和固態(tài)方向發(fā)展，并且出現(xiàn)了立體吸光式電池，提高了太陽(yáng)光的利用率。染料敏化太陽(yáng)電池主要由染料敏化的半導(dǎo)體多孔膜工作電極(最常用的是TiO2), 含有氧化-還原電對(duì)的電解液(如ι37γ)和鍍有催化劑的對(duì)電極(如Pt)三部分組成。其中，對(duì)電極作為染料敏化太陽(yáng)能電池的一個(gè)主要組成部分，對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)化效率有著重要的影響。對(duì)電極的作用是收集外回路的電子并將其快速、低損耗地傳遞給電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)，從而使氧化態(tài)在對(duì)電極上被催化還原，使電解質(zhì)再生。因此，對(duì)電極應(yīng)具有較高的催化活性、并且具有較高的導(dǎo)電性。目前文獻(xiàn)報(bào)道中，染料敏化太陽(yáng)能電池主要應(yīng)用Pt對(duì)電極、金對(duì)電極、鎳對(duì)電極、碳對(duì)電極和導(dǎo)電聚合物等，其中Pt對(duì)電極具有高催化活性和相對(duì)較低超電勢(shì)，但其價(jià)格昂貴造成制備成本較高，從而給染料敏化太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用帶來(lái)一定的障礙。開(kāi)發(fā)成本低、催化活性高、性能穩(wěn)定、面電阻低和制備工藝簡(jiǎn)單的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的電極材料是推進(jìn)染料敏化太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的必然要求。因此降低Pt負(fù)載量，并保持對(duì)電極的催化活性及光伏性能成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、導(dǎo)電性能和柔性度高的導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料的制備方法及作為染料敏化太陽(yáng)能電池柔性對(duì)電極的應(yīng)用。本發(fā)明提供的一種導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料的制備方法，具體步驟如下
(1)將導(dǎo)電碳纖維依次用去離子水、無(wú)水乙醇和丙酮超聲清洗后，干燥待用；
(2)將預(yù)處理后的導(dǎo)電碳纖維浸泡在氯鉬酸的乙醇或異丙醇溶液中過(guò)夜，然后在380 385°C下燒結(jié)20 25分鐘，即可得到負(fù)載鉬納米顆粒的導(dǎo)電碳纖維材料，其中所述氯鉬酸溶液摩爾濃度為5 30mmol/L。本發(fā)明中，導(dǎo)電碳纖維的直徑為O. 2 O. 5mm,電導(dǎo)率為9 ΙΟΩ/cm。本發(fā)明中，優(yōu)選的，導(dǎo)電碳纖維的直徑為O. 3 O. 4mm。本發(fā)明提供一種上述制備方法所獲得的導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料。本發(fā)明提供導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料作為染料敏化太陽(yáng)能柔性對(duì)電極的應(yīng)用。由本發(fā)明對(duì)電極組成的染料敏化太陽(yáng)能電池主要包括染料敏化TiO2納米管光陽(yáng)極，含Γ/ι3-的電解液和負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極。光陽(yáng)極的導(dǎo)電基底為鈦絲，半導(dǎo)體薄膜為T(mén)iO2納米管，染料分子牢固地附著在TiO2納米管上。對(duì)電極的導(dǎo)電基底為導(dǎo)電碳纖維，催化層上的鉬納米顆粒均勻地負(fù)載于導(dǎo)電碳纖維的表面。氧化還原電解質(zhì)置于染料敏化層與鉬催化層之間，并通過(guò)玻璃管和硅橡膠將整個(gè)電池密封。本發(fā)明提供的導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料的制備方法材料易得、成本低。本發(fā)明中制備的導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料作為染料敏化太陽(yáng)能電池用柔性對(duì)電極，有益效果在于采用材料易得、成本低且具有良好的導(dǎo)電性能和柔性度極高的導(dǎo)電碳纖維作為導(dǎo)電基底，克服了導(dǎo)電性受形變和膜電阻影響，有利于柔性電池的開(kāi)發(fā)利用；并且該類電極可以應(yīng)用于立體吸光式染料敏化太陽(yáng)能電池中，纖維狀結(jié)構(gòu)使其可以在狹小的空間內(nèi)使用，擴(kuò)大了染料敏化太陽(yáng)能電池的使用范圍；同時(shí)在導(dǎo)電碳纖維上負(fù)載了一些催化性能較好的鉬納米顆粒，確保了染料敏化太陽(yáng)能電池的性能，并且有效降低了成本和簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。


圖I為實(shí)施例I制備的負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維放大1000倍的表面形貌圖(SEM)。圖2為實(shí)施例I制備的負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維放大40000倍的表面形貌圖(SEM)。圖3為導(dǎo)電碳纖維和實(shí)施例I制備的負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極的循環(huán)伏安曲線。圖4為實(shí)施例I制備的負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極的催化穩(wěn)定性測(cè)試曲線。圖5為實(shí)施例I制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的電流-電壓曲線。圖6為實(shí)施例I制備的太陽(yáng)能電池并聯(lián)后的電流-電壓曲線圖。圖7為實(shí)施例I制備的太陽(yáng)能電池并聯(lián)后的功率。圖8為實(shí)施例2 (曲線a)和實(shí)施例3 (曲線b)制備的對(duì)電極的循環(huán)伏安曲線。圖9為實(shí)施例2 (曲線a)和3 (曲線b)制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的電流-電壓曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I
將導(dǎo)電碳纖維(直徑為O. 4mm,電導(dǎo)率ΙΟΩ/cm)依次用去離子水、無(wú)水乙醇和丙酮超聲清洗5分鐘，吹干后，浸于IOmM氯鉬酸的乙醇溶液中，過(guò)夜，然后在385°C下燒結(jié)20分鐘，即可得到負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維材料。如圖I、圖2所示，鉬納米顆粒的直徑為2f43nm，均勻地負(fù)載在導(dǎo)電碳纖維上。
導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料作為染料敏化太陽(yáng)能柔性對(duì)電極的應(yīng)用
利用電化學(xué)工作站，采用循環(huán)伏安法對(duì)負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極對(duì)Ι3-/Γ電對(duì)的催化活性進(jìn)行研究。循環(huán)伏安掃描采用三電極體系，參比電極為Ag/Ag+，對(duì)電極為Pt，電解液為含有O. IM LiClO4, IOM LiI和IM I2的乙腈溶液，掃描速度為50mV. s-1。在相同的測(cè)試條件下，采用循環(huán)伏安法對(duì)導(dǎo)電碳纖維對(duì)Ι37Γ電對(duì)的催化活性進(jìn)行對(duì)比研究。圖3是本發(fā)明中導(dǎo)電碳纖維、鉬絲和負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極的循環(huán)伏安曲線圖。從CV結(jié)果可以看出鉬納米顆粒已被成功負(fù)載在導(dǎo)電碳纖維上，該電極對(duì)Ι3_/Γ具有較好的催化活性。利用電化學(xué)工作站，采用循環(huán)伏安法對(duì)負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極對(duì)Ι37Γ電對(duì)的催化活性的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。循環(huán)伏安掃描采用三電極體系，參比電極為Ag/Ag+，對(duì)電極為Pt，電解液為含有O. IM LiClO4, IOM LiI和IM I2的乙腈溶液，掃描速度為50mV. s-1。由圖4循環(huán)伏安曲線，可以看出本發(fā)明制備的負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維的催化活性比較穩(wěn)定，循環(huán)485周期后對(duì)Ι37Γ仍具有較好的催化性能。將陽(yáng)極氧化后的Ti絲(O. 5 mm)在450°C下，熱處理2小時(shí)。冷卻至室溫后，用O. 2Μ11(14在60°(下水浴處理I小時(shí)，然后在450°C下熱處理30min，自然冷卻至80°C，放入O. 5mmol/L N719染料的無(wú)水乙醇溶液中敏化12h以上，即可得到敏化TiO2納米管薄膜。將敏化納米TiO2納米管和負(fù)載鉬的碳纖維平行放入透明玻璃管中，然后用絕緣膠將透明玻璃管兩端封裝。待絕緣膠室溫固化后，用微型注射器注射含有O. I M的Lil，O. 05 M的12，和
O.5M的4-叔丁基吡啶O. IM的N-甲基苯并咪唑，O. IM的硫氰酸胍的3-甲氧基丙腈溶液。 然后再用絕緣膠封住注射孔，就可得到基于本發(fā)明纖維狀對(duì)電極的染料敏化太陽(yáng)能電池。將正負(fù)極接入負(fù)載，即可在光照下工作。圖5所示是以負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維為對(duì)電極的染料敏化太陽(yáng)能電池的電流電壓J-V曲線，開(kāi)路電壓為O. 76V，短路電流密度為8. 67mA. cm2,填充因子為O. 47，電池效率為3. 01%。由所測(cè)得的電池性能參數(shù)可以看出，負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維是一種很有潛力的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極材料。
將兩個(gè)染料敏化太陽(yáng)能電池并聯(lián)以及三個(gè)電池并聯(lián)，測(cè)試并聯(lián)電池的性能。如圖6和圖7所示，并聯(lián)電池具有較高的輸出電流和功率，并且電流密度下降相對(duì)較小，從而驗(yàn)證了該類對(duì)電極在大面積染料敏化太陽(yáng)能電池中應(yīng)用的可能性。實(shí)施例2
將導(dǎo)電碳纖維(直徑為O. 3mm,電導(dǎo)率9Q/cm)依次用去離子水、無(wú)水乙醇和丙酮超聲清洗5分鐘，吹干后，浸于5mM氯鉬酸的異丙醇溶液中，過(guò)夜，然后在380°C下燒結(jié)25分鐘，即可得到負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維材料。鉬納米顆粒的直徑為16 30nm。導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料作為染料敏化太陽(yáng)能柔性對(duì)電極的應(yīng)用
利用電化學(xué)工作站，采用循環(huán)伏安法對(duì)負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極對(duì)Ι3-/Γ電對(duì)的催化活性進(jìn)行研究。循環(huán)伏安掃描采用三電極體系，參比電極為Ag/Ag+，對(duì)電極為Pt，電解液為含有O. IM LiClO4, IOM LiI和IM I2的乙腈溶液，掃描速度為50mV. s—1，可得如圖8 (曲線a)所示循環(huán)伏安曲線。將陽(yáng)極氧化后的Ti絲(O. 4mm)在450°C下，熱處理2小時(shí)。自然冷卻至80°C,放入O. 5 mmol/L N719染料的無(wú)水乙醇溶液中敏化12h以上，即可得到敏化TiO2納米管薄膜。染料敏化太陽(yáng)電池的組裝過(guò)程如實(shí)施例I。電池性能測(cè)試結(jié)果如圖9 (曲線a )所示，短路電流密度為6. 05mA. cm2,電池能量轉(zhuǎn)換效率為2. 09%。實(shí)施例3
將導(dǎo)電碳纖維(直徑為O. 3mm,電導(dǎo)率9Q/cm)依次用去離子水、無(wú)水乙醇和丙酮超聲清洗5分鐘，吹干后，浸于30mM氯鉬酸的乙醇溶液中，過(guò)夜，然后在380°C下燒結(jié)25分鐘，即可得到負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維電極。鉬納米顆粒的直徑為3Γ50ηπι。導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料作為染料敏化太陽(yáng)能柔性對(duì)電極的應(yīng)用利用電化學(xué)工作站，采用循環(huán)伏安法對(duì)所植被的負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維對(duì)電極對(duì)Ι3-/Γ電對(duì)的催化活性進(jìn)行研究。循環(huán)伏安掃描采用三電極體系，參比電極為Ag/Ag+，對(duì)電極為Pt，電解液為含有O. IM LiClO4, IOM LiI和IM I2的乙腈溶液，掃描速度為50mV. s-1?？傻萌鐖D8 (曲線b)所示循環(huán)伏安曲線。將陽(yáng)極氧化后的Ti絲(O. 4mm)在450°C下，熱處理2小時(shí)。自然冷卻至80°C,放入O. 5mmol/L N719染料的無(wú)水乙醇溶液中敏化12h以上，即可得到敏化TiO2納米管薄膜。染料敏化太陽(yáng)電池的組裝過(guò)程如實(shí)施例I。電池性能測(cè)試結(jié)果如圖9 (曲線b)所示，短路電流密度為7. 55mA. cm2,電池能量轉(zhuǎn)換效率為2. 46%。 由圖8和圖9比較可知，實(shí)施例3制得的負(fù)載鉬的導(dǎo)電碳纖維電極對(duì)Ι3_/Γ的催化活性和所組裝的電池的能量轉(zhuǎn)化效率均高于實(shí)施例2。這可能是由于實(shí)施例3中負(fù)載鉬的量比例2多。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下 (1)將導(dǎo)電碳纖維依次用去離子水、無(wú)水乙醇和丙酮超聲清洗后，干燥待用； (2)將上述預(yù)處理后的導(dǎo)電碳纖維浸泡在氯鉬酸的乙醇或異丙醇溶液中過(guò)夜，然后在380 385°C下燒結(jié)20 25分鐘，即可得到負(fù)載鉬納米顆粒的導(dǎo)電碳纖維材料，其中所述氯鉬酸溶液摩爾濃度為5 30mmol/L。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述導(dǎo)電碳纖維的直徑為O.2 O. 5mm,電導(dǎo)率為9 10 Ω /cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制備方法，其特征在于所述導(dǎo)電碳纖維的直徑為O.3 O.4mm η
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法得到的導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法得到的導(dǎo)電碳纖維/鉬納米材料作為染料敏化太陽(yáng)能柔性對(duì)電極的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種導(dǎo)電碳纖維/鉑納米材料的制備方法及應(yīng)用。將預(yù)處理后的導(dǎo)電碳纖維浸泡在氯鉑酸的乙醇或異丙醇溶液中過(guò)夜，然后燒結(jié)即可得到負(fù)載鉑納米顆粒的導(dǎo)電碳纖維納米材料。本發(fā)明獲得的導(dǎo)電碳纖維/鉑納米材料用作染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極，以導(dǎo)電性較好和柔性度高的導(dǎo)電碳纖維基底，解決了導(dǎo)電膜電阻和形變降低電池性能的缺點(diǎn)。該電極可以應(yīng)用在立體吸光式電池中，提高了太陽(yáng)光的利用率，使染料敏化太陽(yáng)能電池可以在狹小的空間內(nèi)使用，其電極制備方法簡(jiǎn)單，成本低，有利于染料敏化太陽(yáng)能電池的大面積商業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01G9/20GK102832049SQ20121027470
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者孫明軒, 崔曉莉 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)