一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明提供一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极及其制备方法和应用，及其在染料敏化太阳能电池中的应用。该方法先采用水热法对二氧化钛纳米棒阵列进行碳包覆，即将含有二氧化钛纳米棒阵列的导电玻璃基底浸渍于葡萄糖水溶液中进行水热处理；再采用化学气相沉积法对碳膜包覆二氧化钛纳米棒阵列进行硫化处理，可得硫化纳米碳膜包覆二氧化钛纳米棒阵列对电极。所组装的染料敏化太阳能电池光电转换效率可以达到6.85％。
【专利说明】
-种二氧化铁基纳米棒阵列对电极及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明设及一种二氧化铁基纳米棒阵列对电极及其制备方法和应用，具体设及一 种染料敏化太阳能电池复合对电极材料的的制备及应用。
【背景技术】
[0002] 太阳能取之不尽，用之不竭，同时又是可再生能源，其独特的优势和巨大的开发潜 力，使太阳能电池的开发和利用成为了当今研究的重要课题。1991年瑞±科学家Gratzel发 明的第=代燃料敏化太阳能电池(DSSC)，其制作成本较低、工艺简单、转换效率高、质轻、透 明等特点，因而，具有广阔的开发应用前景。
[0003] 传统的DSSC是W纳米晶二氧化铁光阳极、销对电极催化剂、敏化染料W及电解质 等构成。销对电极作为DSSC的正极，其主要作用是接收电池回路的电子，并把它传递给电解 质中的氧化还原电对，同时催化还原吸附在对电极表面的13^。虽然，销对13^具有较高的催 化活性，是一种理想的对电极材料，但是，贵金属材料销在自然界中稀缺，价格昂贵、储量有 限。因此，开发一种环境友好、价格低廉、性能优异替代销对电极的材料，成为电催化材料领 域的研究热点。此外，对电极膜太薄，催化活性不足;对电极膜太厚，又容易从导电基底上脱 落下来。因此，在克服W上不足的基础上，开发高效率、低成本、高性能的销替代材料，是促 进DSSC产业发展的重要手段。
[0004] 本发明特提出一种采用化学气相沉积法，实验条件溫和，成本低廉，硫化纳米碳膜 厚度可控，二氧化铁基纳米棒阵列对电极及其制备方法和应用。
【发明内容】
[0005] 发明目的:本发明的目的提供一种实验条件溫和，成本低廉，硫化纳米碳膜厚度可 控，催化活性高的二氧化铁基纳米棒阵列对电极及其制备方法和应用。
[0006] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种二氧化铁基纳米棒阵列对电极，其特征在于，包括硫化纳米碳膜、二氧化铁纳 米棒阵列、FTO导电玻璃基片;所述硫化纳米碳膜均匀附着在二氧化铁纳米棒阵列的外表 面，二氧化铁纳米棒阵列垂直排列在FTO导电玻璃基片上面，二氧化铁纳米棒阵列底端与 FTO导电玻璃基片表面连接并形成一整体结构。
[000引其中，所述的硫化纳米碳膜的厚度为l-8nm。
[0009] 其中，所述的二氧化铁纳米棒阵列的棒直径为80nm，棒高度为500-800nm;所述的 FTO导电玻璃基片的厚度为2.2mm。
[0010] 本发明还提供了一种二氧化铁基纳米棒阵列对电极的制备方法，其特征在于:包 括W下步骤：
[0011] a、将葡萄糖溶解在去离子水中，充分揽拌均匀，配制得到葡萄糖水溶液；
[0012] b、将a中所配制的葡萄糖水溶液置于水热反应蓋中，并将二氧化铁纳米棒阵列样 品置于上述水热反应蓋中，然后将水热反应蓋置于烘箱中进行水热处理地，得到纳米碳膜 包覆二氧化铁纳米棒阵列样品；
[0013] C、将步骤b中所制得的纳米碳膜包覆二氧化铁纳米棒阵列置于管式气氛炉中，W 硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，即得到硫化纳米碳膜包覆二氧化铁纳 米棒阵列对电极复合材料。
[0014] 步骤a所述的葡萄糖水溶液的浓度为0.001-0.0 lg/mL。
[0015] 步骤b所述的烘箱水热处理溫度为18(TC。
[0016] 步骤C所述的W硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，其中硫粉处热 处理溫度为195-200°C。
[0017] 步骤C所述的W硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，纳米碳膜包覆 二氧化铁纳米棒阵列处的热处理溫度为550-600°C。
[0018] 步骤C所述的W硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，硫化处理时间 为30-50min。
[0019] 步骤C所述的管式气氛炉，从室溫到设定热处理溫度的升溫速率为10-20°C/min。
[0020] 本发明还提供了 W上所述一种二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料在染料敏化太 阳能电池中的应用。
[0021] 有益效果:本发明的提供的一种二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的制备方法， 研究了，首先将葡萄糖溶解在去离子水中，得到葡萄糖水溶液，然后，将葡萄糖水溶液W及 二氧化铁纳米棒阵列样品置于水热反应蓋中，再将水热反应蓋置于烘箱中进行水热处理， 随后将上述所制备样品置于管式气氛炉中，W硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫 化处理，得到硫化纳米碳膜包覆二氧化铁纳米棒阵列复合材料的新工艺。实验结果表明，采 用运种新工艺，制备过程简单，实验条件溫和，成本低廉，易于实现产业化。
[0022] 具体而言，所述的一种二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料，是由硫化纳米碳膜、二 氧化铁纳米棒阵列、FTO导电玻璃基片互相复合而成，而硫化纳米碳膜均匀附着在二氧化铁 纳米棒阵列的外表面。所述的一种二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料应用于染料敏化太阳 能电池，且对电极复合材料制备工艺简单可行，具有广泛的实际应用价值和工业生产前景。
【附图说明】
[0023] 图1为二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的扫描电子显微镜图。
[0024] 图2为二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的透射电子显微镜图。
[0025] 图3为二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料应用于染料敏化太阳能电池的光伏特性 曲线。
【具体实施方式】
[0026] 下面对本发明作更进一步的说明。
[0027] 实施例1
[00%]二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的制备:称取1. Og葡萄糖，置于容器中，然后向 其中注入IOOmL去离子水，磁力揽拌30min，配制得到浓度为0.Olg/血的葡萄糖溶液。将葡萄 糖水溶液W及二氧化铁纳米棒阵列样品置于水热反应蓋中，然后将水热反应蓋置于180°C 烘箱中进行水热处理地，然后，将样品取出置于室溫下干燥，便得到纳米碳膜包覆二氧化铁 纳米棒阵列。随后将上述所制备样品置于管式气氛炉中，W硫粉作为硫源，采用化学气相沉 积法进行硫化处理30min，得到二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料，其中硫粉处热处理溫度 为195°C，纳米碳膜包覆二氧化铁纳米棒阵列处的热处理溫度为550°C，管式气氛炉从室溫 到设定热处理溫度的升溫速率为lOtVmin。
[0029] 其中，所述二氧化铁纳米棒阵列竖直生长在FTO导电玻璃上;所述二氧化铁纳米棒 的长度为500-900nm，直径为60-90nm;所述硫化纳米碳膜的厚度为Snm;所述硫化纳米碳膜 包覆于二氧化铁纳米棒的外表面。
[0030] 实施例2
[0031] 二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的制备:称取0.5g葡萄糖，置于容器中，然后向 其中注入IOOmL去离子水，磁力揽拌30min，配制得到浓度为0.005g/mL的葡萄糖溶液。将葡 萄糖水溶液W及二氧化铁纳米棒阵列样品置于水热反应蓋中，然后将水热反应蓋置于180 °C烘箱中进行水热处理4h，得到纳米碳膜包覆二氧化铁纳米棒阵列。随后将上述所制备样 品置于管式气氛炉中，W硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理30min，得到二 氧化铁基纳米棒阵列对电极材料，其中硫粉处热处理溫度为195°C，纳米碳膜包覆二氧化铁 纳米棒阵列处的热处理溫度为550°C，管式气氛炉从室溫到设定热处理溫度的升溫速率为 10°C/min。
[0032] 表征和测试制得的二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料。
[0033] 制得的二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的扫描电子显微镜图，详见说明书附图 1，其中二氧化铁基纳米棒的直径为60-90nm;
[0034] 制得的二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的透射电子显微镜图，详见说明书附图 2,其中硫化纳米碳膜的厚度为4nm，硫化纳米碳膜包覆于二氧化铁纳米棒的外表面。
[0035] 图3和表1中的数据为本发明实施例2所制得的二氧化铁基纳米棒阵列对电极作为 工作电极，组装成染料敏化太阳能电池，其中开路电压、短路电流、填充因子都与销非常的 接近。销的光电转换效率为5.13%，而实例2的光电转化效率均达到了销的99.6%左右。
[0036] 实施例3
[0037] 二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的制备:称取0.3g葡萄糖，置于容器中，然后向 其中注入IOOmL去离子水，磁力揽拌30min，配制得到浓度为0.003g/mL的葡萄糖溶液。将葡 萄糖水溶液W及二氧化铁纳米棒阵列样品置于水热反应蓋中，然后将水热反应蓋置于180 °C烘箱中进行水热处理4h，得到纳米碳膜包覆二氧化铁纳米棒阵列。随后将上述所制备样 品置于管式气氛炉中，W硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理40min，得到二 氧化铁基纳米棒阵列对电极材料，其中硫粉处热处理溫度为195°C，纳米碳膜包覆二氧化铁 纳米棒阵列处的热处理溫度为575°C，管式气氛炉从室溫到设定热处理溫度的升溫速率为 15°C/min。
[0038] 其中，所述二氧化铁纳米棒阵列竖直生长在FTO导电玻璃上;所述二氧化铁纳米棒 的长度为500-900nm，直径为60-90nm;所述硫化纳米碳膜的厚度为化m;所述硫化纳米碳膜 包覆于二氧化铁纳米棒的外表面。
[0039] 实施例4
[0040] 二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料的制备:称取0.1 g葡萄糖，置于容器中，然后向 其中注入IOOmL去离子水，磁力揽拌30min，配制得到浓度为O.OOlg/mL的葡萄糖溶液。将葡 萄糖水溶液W及二氧化铁纳米棒阵列样品置于水热反应蓋中，然后将水热反应蓋置于180 °C烘箱中进行水热处理地，然后，将样品取出置于室溫下干燥，便得到纳米碳膜包覆二氧化 铁纳米棒阵列。随后将上述所制备样品置于管式气氛炉中，W硫粉作为硫源，采用化学气相 沉积法进行硫化处理50min，得到二氧化铁基纳米棒阵列对电极材料，其中硫粉处热处理溫 度为195°C，纳米碳膜包覆二氧化铁纳米棒阵列处的热处理溫度为600°C，管式气氛炉从室 溫到设定热处理溫度的升溫速率为20°C/min。
[0041] 其中，所述二氧化铁纳米棒阵列竖直生长在FTO导电玻璃上;所述二氧化铁纳米棒 的长度为500-900nm，直径为60-90nm;所述硫化纳米碳膜的厚度为Inm;所述硫化纳米碳膜 包覆于二氧化铁纳米棒的外表面。
[0042] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
[0043] 表1为二氧化铁基纳米棒阵列对电极的光电转换效率。
[0044] 表 1
[0045]
【主权项】
1. 一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极，其特征在于，包括硫化纳米碳膜（1)、二氧化钛 纳米棒阵列（2)、掺杂氟的氧化锡FTO导电玻璃基片（3);所述硫化纳米碳膜（1)均匀附着在 二氧化钛纳米棒阵列（2)的外表面，二氧化钛纳米棒阵列（2)垂直排列在FTO导电玻璃基片 (3)上面，二氧化钛纳米棒阵列（2)底端与FTO导电玻璃基片（3)表面连接并形成一整体结 构。2. 如权利要求1所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极，其特征在于:所述的硫化纳 米碳膜(1)的厚度为l-8nm〇3. 如权利要求1所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极，其特征在于:所述的二氧化 钛纳米棒阵列（2)的棒直径为80nm，棒高度为500-800nm;所述的FTO导电玻璃基片（3)的厚 度为2.2mm。4. 一种如权利要求1、2或3所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极的制备方法，其特 征在于:该制备方法包括以下步骤： a、 将葡萄糖溶解在去离子水中，充分搅拌均匀，配制得到葡萄糖水溶液； b、 将步骤a所配制的葡萄糖水溶液置于水热反应釜中，并将二氧化钛纳米棒阵列样品 置于上述水热反应釜中，然后将水热反应釜置于烘箱中进行水热处理4h，得到纳米碳膜包 覆二氧化钛纳米棒阵列样品； c、 将步骤b中所制得的纳米碳膜包覆二氧化钛纳米棒阵列置于管式气氛炉中，以硫粉 作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，即得到一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极 材料。5. 如权利要求4所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极的制备方法，其特征在于所 述的烘箱水热处理温度为180°C。6. 如权利要求4所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极材料的制备方法，其特征在 于所述的以硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，其中硫粉处热处理温度为 195-200。。。7. 如权利要求4所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极材料的制备方法，其特征在 于所述的以硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，纳米碳膜包覆二氧化钛纳 米棒阵列处的热处理温度为550-600°C。8. 如权利要求4所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极的制备方法，其特征在于所 述的以硫粉作为硫源，采用化学气相沉积法进行硫化处理，硫化处理时间为30_50min。9. 如权利要求4所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极材料的制备方法，其特征在 于所述的管式气氛炉，从室温到设定热处理温度的升温速率为10_20°C/min。10. -种如权利要求1、2或3所述的一种二氧化钛基纳米棒阵列对电极材料在染料敏化 太阳能电池中的应用。
【文档编号】H01G9/042GK105826081SQ201610413900
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】王育乔, 王玮, 李长盼, 孟闻飞, 廉佳宁, 孙岳明
【申请人】东南大学