用于DSSCs对电极碘还原反应的碳基电催化材料制备及性能研究

发布时间：2020-05-18 17:32

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)由于理论效率高、工艺简单、成本较低和环境友好等优点而具有广阔的发展前景。作为DSSCs的关键组成部分,对电极(counter electrode,CE)表面的电催化过程对器件性能具有至关重要的影响。传统铂(Pt)基CE价格昂贵并且易被电解质中的碘腐蚀,因此,开发价格低廉且性能突出的非Pt电催化材料具有重要的实用意义和研究价值。碳材料廉价易得、结构丰富、形貌多样化,在不同尺度上(从原子/分子到纳米尺度)调变碳基材料表/界面结构和物理化学特性,构筑CE表面电催化反应的高活性中心,发展碳材料绿色可控合成方法,是当今DSSCs领域面临的重要科学问题。围绕CE表面最为常见的碘还原反应(Triiodide reduction reaction,简称IRR),本论文从原子/分子和纳米尺度开展了IRR催化活性中心构筑与材料合成的研究。同时,作者还系统探究了碳基CE材料元素组成、微观结构、表面形貌与IRR催化性能之间的构效关系。第一,通过绿色、温和的方法制备了一种氨基功能化石墨烯,并成功将其开发为DSSCs对电极材料。研究表明,预先对氧化石墨(GO)进行臭氧氧化可以明显提高其表面含氧官能团数量,有利于GO在水相中的分散;更重要的是,含氧官能团可以为下一步的氨基化提供更多的取代位点,多余含氧官能团可通过光还原加以消除(所得样品标记为AGO-hv)。电化学表征证实,AGO-hv对IRR具有优异的催化性能,DSSC器件获得了7.51%的能量转换效率(PCE),性能接近于相同条件下的Pt基CE(7.79%)。从理论计算出发,研究了石墨烯上不同氮掺杂类型对IRR电催化性能的影响机制和规律。密度泛函理论(DFT)计算表明,AGO-hv具有较低的电离能,并且AGO-hv上的吡啶氮与I原子结合能适中,更有利于电催化反应的进行。第二,以天然褐煤为牺牲模板,通过高温热解法制备出含有洋葱包覆结构以及无定形SiO2的石墨化碳基质材料。同时,作者考察了焙烧温度和活性组分对其结构组成和电催化性能的影响。在该材料中,石墨化碳层包覆Ca基粒子形成的纳米结构具有较好的化学稳定性,当使用盐酸刻蚀时,包含在洋葱状碳结构中的Ca物种几乎未被除去。另外,实验结果证实,材料中的SiO2对IRR电催化性能具有促进作用。将制备的材料用作DSSC对电极,器件获得了9.03%的PCE,明显高于Pt基CE组装的器件性能(8.24%)。第三,以柚子皮为碳源,通过活化和热解法制备出具有高比表面积、良好孔隙率且富含多种活性组分的生物质碳材料。研究表明,作为热解过程中的活化剂和模板剂,氯化锌(ZnCl2)的作用主要体现在增大比表面积和形成优良孔结构,有利于增加催化活性位点并促进传质。同时,这种生物质衍生碳材料含有丰富的杂原子,有助于在碳材料表面造成电荷分布局域化,从而形成催化活性中心。电化学表征结果证实,该碳材料作为CE对IRR具有优异的电催化性能,DSSC器件获得了8.29%的PCE,与使用Pt基CE的器件性能(8.24%)相当。第四,制备了一种新型高效MOFs衍生的碳基单原子催化材料。利用ZIF-67作为前驱物,通过增大碳材料比表面积并控制载体与金属间的强相互作用,制备出了单个Co原子分散的负载型催化材料。使用该策略制备单原子催化材料的优点如下:ZIF-67中存在丰富的金属配位点和理想的限域空间,配体可以在空间上分隔金属结点,使得热解过程中金属原子迁移受限,最大程度避免了金属原子间的自团聚行为,因而使得金属能够以单个原子的形式负载在碳表面。研究结果表明,该材料对IRR具有优异的电催化活性,作为CE组装出的DSSC器件获得了7.89%的PCE,优于Pt基器件(PCE为7.76%)。
【图文】：

逦大连理工大学博士学位论文逦逡逑一些副反应也会同时发生，如注入的电子与氧化态的染料敏化剂或缺电子的氧化还原介逡逑质发生复合，从而造成了能量损失并导致ＤＳＳＣｓ效率的降低。最近，Ｗｕ等人［ｌｉ］通过对逡逑ＤＳＳＣｓ中电子注入、染料敏化剂再生和电子复合过程中的电压损失进行调控，采用代号逡逑为ＷＳ－７２的新结构染料在铜基液态电解质中获得了邋１．１邋Ｖ的开路电压（其中，，光阳极为逡逑Ｔｉ０２，对电极为ＰＥＤＯＴ膜）。研究人员进一步对电解质进行固化处理（真空蒸发乙腈逡逑溶剂）后，器件效率达到１１．７％，这是目前全固态ＤＳＳＣｓ获得的最高效率。该工作从电逡逑池工作原理出发，在减小激子型太阳能电池中的电压损失从而提高器件效率方面提供了逡逑新思路。逡逑

合物／碳晸。逡逑１．１．３．３对电极的研究进展逡逑到目前为止，ＤＳＳＣｓ中的ＣＥ催化剂己取得重要进展。图１．５给出了ＤＳＳＣｓ在碘基电逡逑解质中的ＰＣＥ值Ｍ。逡逑－７－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TQ426

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 苏丽君;肖尧明;韩高义;林正裕;吴季怀;;高效铁钼硫对电极在无铂染料敏化太阳能电池中的应用（英文）[J];Science China Materials;2018年10期

2 张文博;杨术明;;炭黑复合对电极的制备及其性能研究[J];科技致富向导;2015年05期

3 竹怀君;黄光胜;;染料敏化太阳能电池柔性对电极的研究进展[J];化工新型材料;2012年03期

4 储玲玲;高玉荣;武明星;王琳琳;马廷丽;;附着性能优异的碳对电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用[J];物理化学学报;2012年07期

5 马换梅;田建华;刘懿平;单忠强;;染料敏化太阳能电池低铂对电极的制备和性能[J];化学工业与工程;2011年06期

6 纪伟伟;蔡宁;赵颖;张晓丹;孙建;魏长春;远存达;李媛;苏燕;熊绍珍;;一种染料敏化太阳电池用新型对电极的研究[J];中国科学(E辑:技术科学);2009年08期

7 Toshimasa.Kagajo;文末;;粘结剂沥青中次生QI对电极焙烧过程中膨胀的限制作用[J];炭素技术;1987年04期

8 赵晓功;龚乾;舒代萱;;钛基氧化锰电极表面状态的研究[J];化工冶金;1988年04期

9 周振清 ,尚绍英;尿意传感器[J];日本医学介绍;1989年08期

10 肖尧明;吴季怀;程存喜;陈媛;岳根田;林建明;黄妙良;范乐庆;兰章;;低温制备高效透明铂对电极及其在柔性染料敏化太阳能电池中的应用[J];科学通报;2012年11期

相关会议论文 前10条

1 赵宇龙;朱磊;杨洋;姚迪圣;强颖怀;;染料敏化太阳能电池对电极Cu2ZnSnS4/MWCNT的制备及其性能研究[A];第一届新型太阳能电池暨钙钛矿太阳能电池学术研讨会论文集[C];2014年

2 周琪森;刘建华;章锦丹;于美;李松梅;吴学科;;碳对电极钙钛矿太阳能电池的研究进展[A];第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2017年

3 纪伟伟;蔡宁;赵颖;孙建;魏长春;张晓丹;熊绍珍;;一种染料敏化太阳电池用新型对电极的研究[A];第十届中国太阳能光伏会议论文集：迎接光伏发电新时代[C];2008年

4 傅年庆;林原;;高性能柔性载铂对电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用[A];中国化学会第28届学术年会第11分会场摘要集[C];2012年

5 郭霜霜;陈维林;王恩波;;一步法水热合成氧化亚铜对电极及其在染料敏化太阳能电池中的应用[A];第十三届全国太阳能光化学与光催化学术会议学术论文集[C];2012年

6 陈洪燕;张腾龙;匡代彬;苏成勇;;低成本对电极的制备及染料敏化太阳能电池研究[A];2013广东材料发展论坛——战略性新兴产业发展与新材料科技创新研讨会论文摘要集[C];2013年

7 武明星;王红蕊;;薄膜太阳能电池中碳对电极的制备及性能优化[A];2018第二届全国太阳能材料与太阳能电池学术研讨会摘要集[C];2018年

8 曹雪芹;雷宝;赵乾;李国然;高学平;;磁控溅射法原位制备纳米层状硒化钼对电极的研究[A];第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2017年

9 张宪玺;周华伟;尹杰;乜忠浩;罗佩佩;李晓茵;王英华;丁菲菲;;敏化剂的设计合成策略与廉价柔性对电极材料研究[A];第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2017年

10 宋隆;罗强;赵飞;李阳;林红;曲良体;张志攀;;双功能介孔氮掺杂石墨烯泡沫作为染料敏化太阳能电池对电极材料[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十九分会：纳米碳材料[C];2016年

相关博士学位论文 前10条

1 景洪宇;用于DSSCs对电极碘还原反应的碳基电催化材料制备及性能研究[D];大连理工大学;2019年

2 杨旺;染料敏化太阳能电池石墨烯基对电极材料的应用研究[D];中国石油大学（北京）;2017年

3 孟祥桐;石墨烯基染料敏化太阳能电池对电极的设计构筑及性能[D];大连理工大学;2018年

4 刘群;染料敏化太阳电池对电极材料的理论研究[D];北京理工大学;2017年

5 陈海军;基于新型对电极和光阳极的染料敏化太阳能电池光伏性能研究[D];电子科技大学;2018年

6 芦爽;过渡金属硫化物基薄膜的制备及染料敏化太阳能电池对电极应用[D];东北师范大学;2018年

7 董佳;过渡金属氧族化合物的制备及其在太阳能电池中的应用[D];华侨大学;2018年

8 贾金彪;过渡金属化合物在新型太阳能电池中的应用[D];华侨大学;2018年

9 胡浩;碳材料对电极在染料敏化太阳能电池中的应用[D];武汉大学;2011年

10 霍京浩;基于新型电极的染料敏化太阳能电池的研究[D];华侨大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 黄元璋;基于硫属金属化合物对电极的量子点敏化太阳能电池研究[D];合肥工业大学;2019年

2 黄龙龙;染料敏化太阳能电池纳/微结构碳基对电极研究[D];大连理工大学;2018年

3 刘彦秀;SnO_2基复合薄膜对电极的制备及光电性能研究[D];哈尔滨理工大学;2019年

4 张雪;新型复合过渡金属硫化物催化剂材料的制备及应用研究[D];河北大学;2019年

5 王晓慧;碳基复合氧化物催化剂电极材料的制备及光电性能研究[D];河北大学;2019年

6 郝孟辉;基于金属有机框架材料制备染料敏化太阳能电池对电极的研究[D];河北大学;2019年

7 张易楠;基于MWCNTs对电极的CdS量子点敏化太阳能电池的性能研究[D];哈尔滨理工大学;2019年

8 王艺蒙;碳材料对电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用[D];沈阳师范大学;2019年

9 李丽雪;多酸调控硫化物双层对电极材料及其在量子点敏化太阳能电池中的应用[D];东北师范大学;2019年

10 刘少文;新型柔性对电极及其在DSSC上的应用[D];长江大学;2019年

本文编号：2670076