一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合硒、钴元素对电极的制备方法

文档序号:10614318阅读:876来源:国知局
一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合硒、钴元素对电极的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种以石墨烯薄膜为载体复合硒、钴离子制备用于染料敏化太阳能电池的对电极的制冰方法,该方法用石墨烯、硒单质、六水合硝酸钴作为原料,通过加入还原剂葡萄糖、水合肼、催化剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP),在100度的温度下反应12 h,进而得到含有硒、钴元素的石墨烯薄膜对电极,产物用无水乙醇洗涤三次,室温晾干即可。反应容器是以聚四氟乙烯作为内胆的不锈钢反应釜,溶液浓度为5 mmol/L。该方法操作简单,反应时间短,可重复性好,成本较低,制备的得到的薄膜结构致密、元素分布均匀,可用于染料敏化太阳能电池对电极的工业化生产和技术推广。
【专利说明】
一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于电化学技术领域,主要涉及一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法。
[0002]【背景技术】:
染料敏化太阳能电池(DSSC)作为一种环境友好型、高效的新型太阳能电池,具有生产工艺简单、环境污染小、制备过程耗能小,对环境温度依赖小,成本低廉等优点,有着广阔的发展空间,它的商业化应用价值也日趋明显。
[0003]在染料敏化太阳能电池中,对电极是电池的正极,其主要作用是,接受电池外电路中的电子并将这些电子传递给电解液的氧化还原电子对。传统的染料敏化太阳能电池大多都是以Pt作为对电极,Pt是最佳的催化材料,然而Pt属于稀有金属、价格昂贵,大规模应用时必须要考虑价格因素对电池成本的影响。因此,开发一种来源丰富、低成本,转换效率较高的材料替代Pt来制备对电极是染料敏化太阳能电池器件的重要研究内容之一。
[0004]石墨稀(Graphene)是一种六角蜂窝状、二维平面结构的新型碳材料。自2004年被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈.杰姆和克斯特亚.诺沃消洛夫发现以来,其优异的光学、电学、力学等物理特性,以及广泛的应用前景,在材料科学领域引起了巨大的关注。例如,石墨烯具有非同寻常的导电性能,在石墨烯中,电子能够极为高效地迀移,传统的硅、铜等导体和半导体材料都远没有石墨烯表现得好。而且石墨烯具有超出钢铁数十倍的强度并兼具极好的透光性。石墨烯的出现有望在现代材料、化学、电子科技等领域引发新的变革,被称为“神奇材料”,有科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。
[0005]石墨稀是一种单层二维材料,它可以卷曲制备出零维的富勒稀和一维的碳纳米管,也可以堆积成三维的石墨。在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域都有广泛的应用,因此一直引起科学界的广泛关注。又因近年来的研究发现石墨烯在热、电、磁、空间结构等特性的优良性质,使得石墨烯在太阳能电池、燃料电池等方面具有良好的应用前景。
[0006]许多研究发现:石墨烯的边缘位和石墨烯基面的电化学性质存在着明显的差异,石墨烯边缘位具有较高的电化学活性,而石墨烯基面是电化学惰性的。为了使石墨烯材料的催化活性提高,需要对其进行基面进行活性化,通过掺杂其它元素可以有效的控制其基面的电子结构,提尚电导率。因此,活化石墨稀基面,提尚石墨稀电催化活性的有效途径之
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【发明内容】

[0007]为了克服上述现有技术中的不足,本发明提供了一种操作方法简单,成本低、时间短、对环境友好、无繁琐的后续处理,只需将各种原料按比例加入具有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中,反应12小时取出产品,用无水乙醇清洗数次,室温条件下晾干即可,所得的产品表面分布均匀,重复性较好,致密度较高的优点的将该复合的石墨烯/钴、砸材料应用为染料敏化太阳能电池对电极的制备材料的方法。
[0008]本发明的目的是这样实现的:
一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法通过水热还原的方法在导电玻璃基底上制备石墨烯/钴、砸元素复合薄膜的对电极,该对电极用于染料敏化太阳能电池器件的对电极;
一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法,以石墨烯、钴盐、单质砸为主要原料,并加入还原剂以及PVP催化剂,制备石墨烯/钴、砸元素复合对电极,其制备的具体步骤为:
1)称取0.291g六水合硝酸钴,加适量的水搅拌溶解,配制成200 ml 5 mmol/L的硝酸钴溶液;
2)量取5ml的5mM的硝酸钴溶液倒入小烧杯,分别称取0.004 g石墨烯和0.004 g砸粉倒入小烧杯中,然后在烧杯中加入I mg ?¥?,接着称取9.9 mg葡萄糖加入小烧杯中;之后在小烧杯中加入2 ml水合肼,放入磁子后,将混合溶液放在磁力搅拌器上搅拌20分钟;
3)在高压反应釜内倾斜放置FTO或ITO导电玻璃,然后把已经搅拌均匀的溶液加入反应釜内,用去离子水定容至反应釜容积的3/4,拧紧反应釜,将反应釜转移到恒温鼓风干燥箱中水热反应12 h;反应结束后,取出导电玻璃片,并用无水乙醇清洗干净,晾干。
[0009]所述在石墨稀薄膜上吸附的钴、砸元素,所用原料摩尔比为n(Se): n(C):n(Co(NO3)2) =2:2:1;
所述复合对电极的主要成分为石墨烯、钴元素和砸元素;
所述反应溶剂为水合肼,还原剂为葡萄糖或抗坏血酸;
所述水热反应温度为100?150 °C。
[0010]积极有益效果:本发明操作方法简单,成本低、时间短、对环境友好、无繁琐的后续处理,只需将各种原料按比例加入具有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中,反应12小时取出产品,用无水乙醇清洗数次,室温条件下晾干即可,所得的产品表面分布均匀,重复性较好,致密度较高的优点,并且该对电极应用于染料敏化太阳能电池获得良好效果,可替代贵金属铂电极。
【具体实施方式】
[0011]下面结合具体实施例,对本发明做进一步的说明:
本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池中石墨烯/钴、砸元素复合对电极的制备方法,通过控制石墨烯及掺杂元素的比例用量,使之符合使用要求。提供一种既简便又能制备出电催化性能优良的用于染料敏化太阳能电池的掺杂有钴、砸元素的石墨烯复合薄膜对电极的化学方法。本方法采用氧化石墨烯、葡萄糖、水合肼、六水合硝酸钴、砸单质、导电玻璃(FT0或ΙΤ0),经过水热法即可制备出含有钴、砸元素的石墨烯薄膜电极材料。
[0012]—种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法,以石墨烯、钴盐、单质砸为主要原料,并加入还原剂以及PVP催化剂,制备石墨烯/钴、砸元素复合对电极,其制备的具体步骤为:
I)称取0.291 g六水合硝酸钴,加适量的水搅拌溶解,配制成200 ml 5 mmol/L的硝酸钴溶液; 2)量取5ml的5mM的硝酸钴溶液倒入小烧杯,分别称取0.004 g石墨烯和0.004 g砸粉倒入小烧杯中,然后在烧杯中加入I mg ?¥?,接着称取9.9 mg葡萄糖加入小烧杯中;之后在小烧杯中加入2 ml水合肼,放入磁子后,将混合溶液放在磁力搅拌器上搅拌20分钟;
3)在高压反应釜内倾斜放置FTO或ITO导电玻璃,然后把已经搅拌均匀的溶液加入反应釜内,用去离子水定容至反应釜容积的3/4,拧紧反应釜,将反应釜转移到恒温鼓风干燥箱中水热反应12 h;反应结束后,取出导电玻璃片,并用无水乙醇清洗干净,晾干。
[0013]所述在石墨稀薄膜上吸附的钴、砸元素,所用原料摩尔比为n(Se): n(C):n(Co(NO3)2) =2:2:1;
所述复合对电极的主要成分为石墨烯、钴元素和砸元素;
所述反应溶剂为水合肼,还原剂为葡萄糖或抗坏血酸;
所述水热反应温度为100?150 °C。
[0014]实施例1
1、称取0.291 g六水合硝酸钴,加适量的水搅拌溶解,配制成200 ml 5 mmol/L的硝酸钴溶液。
[0015]2、量取5 ml的5 mM的硝酸钴溶液倒入小烧杯,分别称取0.004 g石墨烯和0.004 g砸粉倒入小烧杯中,然后在烧杯中加入I mg ?¥?,接着称取9.9 mg葡萄糖加入小烧杯中;之后在小烧杯中加入2 ml水合肼,放入磁子后,将混合溶液放在磁力搅拌器上搅拌20分钟。
[0016]3、在高压反应釜内倾斜放置导电玻璃(FT0或ΙΤ0),然后把已经搅拌均匀的溶液加入反应釜内,用去离子水定容至反应釜容积的3/4,拧紧反应釜,将反应釜转移到恒温鼓风干燥箱中100 °C水热反应12 h。反应结束后,取出导电玻璃片,并用无水乙醇清洗干净,晾干。
[0017]实施例2
1、称取0.291 g六水合硝酸钴,加适量的水搅拌溶解,配制成200 ml 5 mmol/L的硝酸钴溶液。
[0018]2、量取5 ml的5 mM的硝酸钴溶液倒入小烧杯,分别称取0.008 g石墨烯和0.004 g砸粉倒入小烧杯中,然后在烧杯中加入2 mg PVP,接着称取20 mg葡萄糖加入小烧杯中;之后在小烧杯中加入4 ml水合肼,放入磁子后,将混合溶液放在磁力搅拌器上搅拌20分钟。
[0019]3、在高压反应釜内倾斜放置导电玻璃(FT0或ΙΤ0),然后把已经搅拌均匀的溶液加入反应釜内,用去离子水定容至反应釜容积的3/4,拧紧反应釜,将反应釜转移到恒温鼓风干燥箱中120 °C水热12 h。反应结束后,取出导电玻璃片,并用无水乙醇清洗干净,晾干。
[0020]实施例3
1、称取0.291 g六水合硝酸钴,加适量的水搅拌溶解,配制成200 ml 5 mmol/L的硝酸钴溶液。
[0021]2、量取10 ml的5 mM的硝酸钴溶液倒入小烧杯,分别称取0.008 g石墨烯和0.008g砸粉倒入小烧杯中,然后在烧杯中加入4 mg PVP,接着称取20 mg葡萄糖加入小烧杯中;之后在小烧杯中加入4 ml水合肼,放入磁子后,将混合溶液放在磁力搅拌器上搅拌20分钟。
[0022]3、在高压反应釜内倾斜放置导电玻璃(FT0或ΙΤ0),然后把已经搅拌均匀的溶液加入反应釜内,用去离子水定容至反应釜容积的3/4,拧紧反应釜,将反应釜转移到恒温鼓风干燥箱中150 °C水热12 h。反应结束后,取出导电玻璃片,并用无水乙醇清洗干净,晾干。
[0023]本发明操作方法简单,成本低、时间短、对环境友好、无繁琐的后续处理,只需将各种原料按比例加入具有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中,反应12小时取出产品,用无水乙醇清洗数次,室温条件下晾干即可,所得的产品表面分布均匀,重复性较好,致密度较高的优点,并且该对电极应用于染料敏化太阳能电池获得良好效果,可替代贵金属铂电极。
[0024]以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内,本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等,均应视为本申请的保护范围。
【主权项】
1.一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法,其特征在于:以石墨烯、钴盐、单质砸为主要原料,并加入还原剂以及PVP催化剂,制备石墨烯/钴、砸元素复合对电极,其制备的具体步骤为: 1)称取0.291g六水合硝酸钴,加适量的水搅拌溶解,配制成200 ml 5 mmol/L的硝酸钴溶液; 2)量取5ml的5mM的硝酸钴溶液倒入小烧杯,分别称取0.004 g石墨烯和0.004 g砸粉倒入小烧杯中,然后在烧杯中加入I mg ?¥?,接着称取9.9 mg葡萄糖加入小烧杯中;之后在小烧杯中加入2 ml水合肼,放入磁子后,将混合溶液放在磁力搅拌器上搅拌20分钟; 3)在高压反应釜内倾斜放置FTO或ITO导电玻璃,然后把已经搅拌均匀的溶液加入反应釜内,用去离子水定容至反应釜容积的3/4,拧紧反应釜,将反应釜转移到恒温鼓风干燥箱中水热反应12 h;反应结束后,取出导电玻璃片,并用无水乙醇清洗干净,晾干。2.根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法,其特征在于:所述在石墨烯薄膜上吸附的钴、砸元素,所用原料摩尔比为η(Se):n(C) In(Co(NO3)2) =2:2:1。3.根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法,其特征在于:所述复合对电极的主要成分为石墨烯、钴元素和砸元素。4.根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法,其特征在于:所述反应溶剂为水合肼,还原剂为葡萄糖或抗坏血酸。5.根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的石墨烯复合砸、钴元素对电极的制备方法,其特征在于:所述水热反应温度为100?150 °C。
【文档编号】H01G9/042GK105977034SQ201610528031
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】李品将, 李学峰, 王玉丹, 谢俊俊, 豆燕飞
【申请人】许昌学院
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