碳球的制备优化及其在染料敏化太阳能电池中的应用

发布时间：2019-07-24 17:24

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSCs)是一种理想的光电转换器件,近年来一直是光伏领域的研究热点。DSCs由三部分组成,即光阳极、对电极和电解液。对电极作为DSCs体系中的重要组成部分,主要负责催化再生电解液中的氧化还原电对。贵金属铂(Pt)因具有良好的催化活性成为DSCs中理想的对电极材料,然而Pt的储量有限且价格昂贵,限制了其在DSCs中的广泛应用,因此为了克服这些不足,急需开发一种廉价高效的非Pt对电极催化材料。常见的非Pt对电极材料为碳材料,如活性炭、炭黑、有序介孔碳、石墨烯、碳纳米管、富勒烯等,其优点为成本低、导电性高、原料来源丰富。而本文合成的碳球,除具有以上碳材料的优点外,还具有均一性、高热稳定性、较大的比表面积等优点。本文主要从两个方面着手:一方面是设计并合成了一种新型对电极材料纳米碳球(CS),用来替代Pt作为DSCs的对电极;另一方面通过合成碳球载Pt(Pt/CS)这种复合型对电极来取代Pt电极,这种复合型对电极可减少Pt的用量。具体来讲,本文采用水热法合成了一种单分散的实心碳球(SCS),这种碳球大小均匀,粒径为420 nm,比表面积达380.97 m2g-1,基于这种碳球对电极的DSCs能量转换效率达到了8.60%,但仍低于以Pt为对电极的DSCs的能量转换效率9.41%。为了提高碳球的催化性能,我们进一步合成了粒径为250,320和550 nm的碳球,研究发现粒径为250 nm的碳球催化活性最高,这是因为这种碳球有更大的比表面积454.47 m2g-1,因此能够提供更多的催化活性位点,对应DSCs的效率达到了9.32%。由此可见,粒径为250 nm的碳球的催化性能与Pt十分接近。此外,为了进一步提高CS的催化性能,我们通过原位合成法制备了Pt/CS这种复合型对电极催化材料,并表征了Pt的负载量对其催化活性的影响。实验结果证明,当Pt的负载量为2.1 wt%时,Pt/CS的催化活性最高,基于此对电极的DSCs效率达9.05%,既高于以Pt为对电极的DSCs的效率(8.42%),又高于以CS为对电极的DSCs的效率(6.70%)。为了进一步验证Pt/CS的高催化性能,我们通过电化学阻抗实验测得Co~(3+/2+)在Pt/CS电极上进行氧化还原反应的活化能为26.55 kJ mol-1,均低于Pt的34.25和CS的37.03 kJ mol-1,从根本上说明了Pt/CS高催化活性的原因。因此,这种将Pt纳米粒子负载到CS表面的方法既可以减少Pt的用量,又可以提高材料的催化活性。综上所述,本文通过水热法和原位合成法成功制备了两种不同的非铂对电极催化材料——实心碳球(SCS)和复合型载Pt碳球(Pt/CS),极大地扩展了对电极催化材料的选择范围,同时降低了染料敏化太阳能电池的制作成本,使其在太阳能电池中更具竞争力。
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2518779