低铂电极材料的制备及光电性能研究

发布时间：2019-02-24 15:46

【摘要】：随着能源和环境问题的日益加重,开发利用绿色可再生能源成为亟需解决的问题。太阳能清洁无污染、取之不尽用之不竭,一直被认为最有潜力的新能源之一。太阳能应用最广泛、最便捷的途径是太阳能电池。具有成本低廉、工艺简单、理论光电转换效率高等优势的染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells,简称DSSCs)有望取代传统硅太阳能电池,成为未来太阳能电池领域的主导。染料敏化太阳能电池由光阳极、对电极和电解质三部分组成的。对电极是DSSCs的重要组成部分,其作用是收集、传输电子和催化电解质中电对的转化。对电极的催化性、导电性和稳定性决定着电池性能的高低。现在应用最广泛的对电极是Pt对电极,Pt电极催化性好,稳定性高。但Pt是贵金属材料,价格昂贵、储量低,不能应用于商业生产。近年来,低Pt复合材料在降低Pt使用量的基础上,提高了材料的催化性和稳定性,可以作为纯Pt电极的替代品在DSSCs中应用,受到人们广泛关注。除了太阳能电池外,燃料电池以其能量转换效率高、环境污染少、应用广泛等优点引起广泛的重视和研究。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,简称MFCs)是用微生物为催化剂,通过电化学反应将化学能转换为电能的新型产电装置,有望同时缓解能源危机以及水体污染问题。但是,MFC阴极常用材料也是贵金属Pt。因此,本论文致力于开发和利用高效的低Pt复合材料,并将其应用于染料敏化太阳能电池对电极和单室微生物燃料电池阴极中。(1)采用高温油浴法将Pt_3Ni合金负载于碳纳米纤维表面,制备了Pt_3Ni/CN,再将Mo离子掺杂到Pt_3Ni中,制备了Mo-Pt_3Ni/CN。采用XRD、SEM、TEM、EDS等手段表征材料的结构和形貌特征。并将它们应用于DSSCs的对电极中,通过循环伏安、J-V曲线、电化学阻抗和塔菲尔曲线表征其光电性能,结果显示:Mo-Pt_3Ni/CN稳定性最好,对碘电对有最高的催化性能,组装的DSSCs的光电转换效率达到9.47%,远高于纯Pt对电极的7.1%。低铂材料Mo-Pt_3Ni/CN可以作为Pt的替代材料在DSSCs的对电极使用。(2)采用一锅法以乙酰丙酮镍为镍源,三辛基膦(TOP)为磷源,在碳纤维表面负载Ni_2P粒子,制备了Ni_2P/CN;再用煅烧法分别将Pt负载于CN和Ni_2P/CN表面,制备了Pt/CN和Pt-Ni_2P/CN材料。采用XRD、SEM、TEM等表征材料的结构和形貌特征。并将它们应用于DSSCs的对电极中,通过循环伏安、J-V曲线、电化学阻抗和塔菲尔曲线测试其光电性能。结果显示:Pt-Ni_2P/CN电极组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率为9.11%,比Pt/CN的8.35%提高了10%。证明Ni_2P的掺入Pt/CN催化剂有利于对电极催化性能和电池性能的提高。(3)将不同量的CeO_2粉末掺杂到商业20%Pt/C催化剂中,制备出五种催化剂样品(Pt/C、1%CeO_2-Pt/C、3%CeO_2-Pt/C、5%CeO_2-Pt/C、10%CeO_2-Pt/C)。采用XRD对样品的结构和形貌晶型分析。将样品分别应用到相同体系单室空气阴极微生物燃料电池的阴极中,测试其性能变化。结果显示:3%CeO_2-Pt/C-MFC中的性能最好,最高输出电压为580 mV,最大功率密度为840±24 mW/m2。但在电化学阻抗的测试中,3%CeO_2-Pt/C的电阻大于Pt/C,这可能是因为,CeO_2具有良好的储氧性和催化性,但其导电性较差,CeO_2过量则抑制电极的导电性能,从而影响电池的产电性能。
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【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【参考文献】