一种碳包覆CoS（Co9S8）复合材料的制备方法及应用

本发明是一种碳包覆cos(co9s8)复合材料的制备方法及应用，其制备的材料主要用于染料敏化太阳能电池对电极，为开发高光电转换效率电池材料提供参考。

背景技术：

1、染料敏化太阳能电池(dsscs)具有制备工艺简单、成本低、环境友好、可塑性好等优点，具有良好的商业应用前景；在dsscs对电极中，钴硫化物相较于pt原料成本低，储量丰富，所以有利于大规模应用；如cos2、cos、co3s4和co9s8)已被广泛用作dsscs的对电极，但其实际应用受到循环稳定性差，材料体积变化和导电性低的限制。

2、近年来，将活性材料与碳复合，利用碳对活性材料的空间限制效应增强材料的催化活性、分散性和导电性已成为一种有效策略；虽然光电转换效率上有所提升，但是引入的碳材料对硫化物的形貌控制很弱，只是简单的将硫化物物理混合到碳材料中，碳与硫化物之间没有产生化学键结合，导致材料循环稳定性提升不明显；所以要想得到电催化性高，稳定性又好的染料敏化太阳能电池对电极材料，上述缺陷与不足还需要克服。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种原材料成本低、工艺简单、有利于大规模生产的碳包覆cos(co9s8)复合材料制备方法；本方法以六水合硝酸钴和硫脲为原料，多巴胺为碳源；多巴胺进行原位水热聚合包覆纳米晶cos(co9s8)颗粒制备前驱体，最后在氮气保护条件下碳化得到；具体包括以下步骤：

2、(1)将六水合硝酸钴和硫脲分散到去离子水和乙二醇混合溶液中，其中，六水合硝酸钴的浓度为8.56～8.57g/l，硫脲的浓度为10.07～10.08g/l，按1.67～21.67g/l的比例加入多巴胺，磁力搅拌至溶液为清透粉红色溶液状态时，170～190℃条件下反应11～13h，在cos表面原位聚合一层连续聚多巴胺膜，反应结束后冷却至室温。

3、(2)依次用水和乙醇洗涤黑色产物2次，得到复合材料前驱体，干燥后备用；然后将前驱体在氮气保护条件下碳化，冷却至室温得到碳包覆cos(co9s8)复合材料。

4、优选的，本发明步骤(2)中干燥条件为60℃干燥6～12h。

5、优选的，本发明步骤(2)中碳化温度为500～800℃，碳化时间为2h。

6、本发明的另一目的在于提供所述方法制备的碳包覆cos(co9s8)复合材料在作为染料敏化太阳能对电极材料中的应用。

7、本发明的有益效果：

8、(1)本发明采用简单溶剂热和后碳化方法，先合成毛线球状cos，再在cos水热合成过程中加入多巴胺，一种含有邻苯二酚和胺官能团的分子，在cos微球表面原位聚合形成聚多巴胺黏附层，cos被紧密包裹，膜的厚度可以由多巴胺浓度来控制。

9、(2)本发明中所用方法对纳米晶cos的颗粒尺寸和形貌起到了较好的控制作用；相比不加多巴胺进行水热合成的cos进行800℃退火，cos结晶度增强，发生团聚；加入多巴胺后，多巴胺在cos表面原位聚合一层连续聚多巴胺膜，聚多巴胺中的邻苯二酚和氨基官能团与cos表面建立共价-非共价的相互作用，可获得聚多巴胺分子对cos表面的超强黏附能力，经过相同800℃碳化，cos完全被涂层覆盖，也没有因为温度高而发生聚集，涂层附着在cos上良好，没有裂纹或剥落；这是因为碳化过程聚多巴胺衍生碳与硫化物之间产生了c-s键结合，提升了该复合材料的稳定性。

10、(3)本发明所述方法具有操作简单，设备要求低，成本低廉，制备工艺无毒无污染，有利于规模化生产，制备出的复合材料具有极好的稳定性和催化性等优点，进而得到较高光电转换效率的染料敏化太阳能电池。

11、(4)多巴胺作为碳源、聚多巴胺膜厚度可控、粘附性能好；包覆cos的聚多巴胺膜可改善cos的分散性；聚多巴胺由于其丰富的胺基，碳化后，与s形成c-s化学键，提高了复合材料的稳定性和导电性；将制备的复合材料制备成对电极，有利于提高对电解质中的氧化还原电对还原反应的催化，并提高电极的稳定性；同时在氮气气氛下碳化，形成氮元素掺杂，进一步提升了材料的电导率，所以利用多巴胺作为碳源，制备碳包覆cos(co9s8)，可以很好地解决cos作为染料敏化太阳能电池对电极所面临的光电转换效率低，稳定性差和导电性弱等问题。

技术特征：

1.一种碳包覆cos(co9s8)复合材料的制备方法，其特征在于：以六水合硝酸钴和硫脲为原料，多巴胺为碳源；多巴胺原位水热聚合包覆纳米晶cos(co9s8)颗粒制备前驱体，最后在氮气保护条件下碳化得到。

2.根据权利要求1所述碳包覆cos(co9s8)复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述碳包覆cos(co9s8)复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中反应条件为170～190℃条件下反应11～13h。

4.根据权利要求2所述碳包覆cos(co9s8)复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中干燥条件为60℃干燥6～12h。

5.根据权利要求2所述碳包覆cos(co9s8)复合材料的制备方法，其特征在于：碳化温度为500～800℃，碳化时间为2h。

6.权利要求1所述方法制备的碳包覆cos(co9s8)复合材料在作为染料敏化太阳能对电极材料中的应用。

技术总结
本发明公开了一种碳包覆CoS(Co9S8)复合材料的制备方法及应用，该材料以六水合硝酸钴和硫脲为原料，以聚多巴胺为碳源。多巴胺原位水热聚合包覆纳米晶CoS(Co9S8)颗粒制备前驱体，最后在氮气气氛下碳化得到。实验表明，本发明制备的碳包覆CoS(Co9S8)复合材料具有较高电催化活性，用其作为对电极的对电极染料敏化太阳能电池获得较高电池光电转换效率。该发明具有制备工艺简单、稳定性强、分散性好、电催化活性优良等特点，是一种较好的Pt替代材料，用于染料敏化太阳能电池对电极以及其他电催化领域，具有较大应用前景。

技术研发人员：胡永茂,朱琼,段卓琦,谢再新,杨小波,周豹
受保护的技术使用者：大理大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14