高电催化活性染敏电池对电极CNT/TiO 2-x N x 材料的制备
发布时间：2022-02-12 13:30
以钛酸异丙酯为钛源,CNTs为载体,结合水热和高温NH3处理技术成功制备了CNT/TiO2-xNx复合物,并研究了其作为染料敏化太阳能电池（DSSC）对电极材料的电催化性能。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱和循环伏安等表征手段对CNT/TiO2-xNx复合物的形貌、结构和电化学性能进行表征。结果表明:直径3050 nm的CNTs和直径为38 nm的TiO2-xNx纳米线相互交联形成了三维的网状结构,这一结构有利于增大复合物与电解液的接触面积。复合物融合了N掺杂Ti O2的高电催化活性和CNTs的高导电性的优势使得复合物的光电效率高达7.16%,与贵金属催化剂Pt相当,有望成为DSSC对电极材料理想替代材料之一。
【文章来源】：新型炭材料. 2017,32(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：6 页
【图文】：
CNT/TiO2－xNx复合物的电镜照片
?0～50nm，且二者相互缠绕。CNTs的晶格条纹清晰可见，条纹间距为0．335nm，对应于石墨(002)晶面间距，TiO2－xNx晶格条纹间距较小，测量的晶面间距为0．188nm，接近于TiO2锐钛矿晶型的(200)面间距(JCP-DS∶21-1272)，表明CNT/TiO2－xNx复合物中TiO2主要以锐钛矿的形式存在。图1CNT/TiO2－xNx复合物的电镜照片Fig．1(a，b)SEMand(c，d)TEMimagesofCNT/TiO2－xNxnanocomposites．为确定CNT/TiO2－xNx复合物中TiO2－xNx的晶相结构，我们对产物进行了XＲD分析。图2a是制得的CNT/TiO2－xNx复合物的XＲD谱图。从图中可以看出，在2θ=26．0°附近出现的碳的(002)晶面衍射峰，这与HＲTEM观测的结果一致。在2θ=25．3°、48．0°处的两个衍射峰清晰可见，分别归属于TiO2的(101)、(200)晶面的衍射(JCP-DS∶21-1272)。热重分析结果显示复合物中CNTs和TiO2－xNx的质量比大约为1∶4。为了进一步研究CNT/TiO2－xNx复合物中N元素的存在形式及含量，我们采用XPS技术对复合物进行了测试。从CNT/TiO2－xNx复合物的扫描全谱(图2b)可以看出，CNT/TiO2－xNx复合物的表面含有O、N、Ti、C这4种元素，其中N元素的掺入量为1．51%。N元素分峰的结果(图2c)进一步显示在结合能为398．9eV和400．4eV位置处出现了两个峰，分别对应C—N和N—Ti—O物种，表明N元素已经成功掺入TiO2的晶格中。已有文献研究表明，N原子掺杂到TiO2晶格中可以增大TiO2的晶格间距，从而提高TiO2表面的活性位点数量，进而有利于增加CNT/TiO2－xNx复合物的催化活性［12，15-17］。此外，我们还对复合物进行了Ti，C和O元素分峰拟合，见图2d-f。从图
图2CNT/TiO2－xNx复合物的结构和组成Fig．2StructureandcompositionofCNT/TiO2－xNxnanocomposites:(a)XＲDpatterns;(b)XPSsurveyspectra;(c)N1s;(d)Ti2p;(e)C1sand(f)O1sXPSspectra．3．2CNT/TiO2－xNx复合物电化学性能众所周知，在典型的DSSC对电极循环伏安测试曲线中，有两对明显的氧化还原峰，相对较低电势下出现的氧化还原峰可归属为I3－/I－电对的氧化还原反应，相对较高电势下出现的氧化还原峰可归属为I2/I－3电对的氧化还原反应。评价对电极材料的催化性能主要对比较低电势下还原峰的峰电流密度和两个峰之间的电位差值(Epp)，高催化活性的对电极材料应具有较高的峰电流密度和较低的Epp值［22］。图3a是CNT/TiO2－xNx复合物、CNTs和Pt对电极在碘电解质溶液中的循环伏安测试结果，可以看出这3种对电极材料都有明显的两对氧化还原峰，表明这3种对电极材料对I3－的还原反应均具有较好的电催化活性。通过比较CNT/TiO2－xNx、CNTs和Pt的测试结果，我们还可以发现Epp值按照如下顺序递增:CNT/TiO2－xNx＜CNTs＜Pt，峰电流密度，Pt＞CNT/TiO2－xNx＞CNTs。综上，复合物的电催化活性高于CNTs并在一定程度上可以与Pt媲美。这主要是由于N掺杂TiO2的加入在一定程度上能提高复合物的电催化活性所致。电池的电流密度-电压(I-V)曲线可以直接反应DSSC的光电转化效率和电池性能，我们分别将Pt、CNTs和CNT/TiO2－xNx复合物作为对电极组装成电池，在相同条件下测试和对比了这些材料的光电转换效率，结果见图3b，相应的光伏参数见表1。从图3b可以看出，CNT/TiO2－xNx复合物对电极的光电效率为7．16%，与Pt对电极的光电?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Photoelectrochemical properties of MWCNT-TiO2 hybrid materials as a counter electrode for dye-sensitized solar cells[J]. Yu-Qiao Wang,Xue-Ling Gao,Bo Song,Yun-Liang Gu,Yue-Ming Sun. Chinese Chemical Letters. 2014(04)
[2]表面活性剂改性的大孔径介孔炭对电极染料敏化太阳电池(英文)[J]. 徐顺建,罗玉峰,钟炜,肖宗湖. 新型炭材料. 2013(04)
[3]不同炭材料对电极对染料敏化太阳能电池性能的影响[J]. 冯俊,刘贵山,马铁成,胡志强,吴凯卓,张娓娓. 新型炭材料. 2012(04)
本文编号：3621808
【文章来源】：新型炭材料. 2017,32(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：6 页
【图文】：
CNT/TiO2－xNx复合物的电镜照片
?0～50nm，且二者相互缠绕。CNTs的晶格条纹清晰可见，条纹间距为0．335nm，对应于石墨(002)晶面间距，TiO2－xNx晶格条纹间距较小，测量的晶面间距为0．188nm，接近于TiO2锐钛矿晶型的(200)面间距(JCP-DS∶21-1272)，表明CNT/TiO2－xNx复合物中TiO2主要以锐钛矿的形式存在。图1CNT/TiO2－xNx复合物的电镜照片Fig．1(a，b)SEMand(c，d)TEMimagesofCNT/TiO2－xNxnanocomposites．为确定CNT/TiO2－xNx复合物中TiO2－xNx的晶相结构，我们对产物进行了XＲD分析。图2a是制得的CNT/TiO2－xNx复合物的XＲD谱图。从图中可以看出，在2θ=26．0°附近出现的碳的(002)晶面衍射峰，这与HＲTEM观测的结果一致。在2θ=25．3°、48．0°处的两个衍射峰清晰可见，分别归属于TiO2的(101)、(200)晶面的衍射(JCP-DS∶21-1272)。热重分析结果显示复合物中CNTs和TiO2－xNx的质量比大约为1∶4。为了进一步研究CNT/TiO2－xNx复合物中N元素的存在形式及含量，我们采用XPS技术对复合物进行了测试。从CNT/TiO2－xNx复合物的扫描全谱(图2b)可以看出，CNT/TiO2－xNx复合物的表面含有O、N、Ti、C这4种元素，其中N元素的掺入量为1．51%。N元素分峰的结果(图2c)进一步显示在结合能为398．9eV和400．4eV位置处出现了两个峰，分别对应C—N和N—Ti—O物种，表明N元素已经成功掺入TiO2的晶格中。已有文献研究表明，N原子掺杂到TiO2晶格中可以增大TiO2的晶格间距，从而提高TiO2表面的活性位点数量，进而有利于增加CNT/TiO2－xNx复合物的催化活性［12，15-17］。此外，我们还对复合物进行了Ti，C和O元素分峰拟合，见图2d-f。从图
图2CNT/TiO2－xNx复合物的结构和组成Fig．2StructureandcompositionofCNT/TiO2－xNxnanocomposites:(a)XＲDpatterns;(b)XPSsurveyspectra;(c)N1s;(d)Ti2p;(e)C1sand(f)O1sXPSspectra．3．2CNT/TiO2－xNx复合物电化学性能众所周知，在典型的DSSC对电极循环伏安测试曲线中，有两对明显的氧化还原峰，相对较低电势下出现的氧化还原峰可归属为I3－/I－电对的氧化还原反应，相对较高电势下出现的氧化还原峰可归属为I2/I－3电对的氧化还原反应。评价对电极材料的催化性能主要对比较低电势下还原峰的峰电流密度和两个峰之间的电位差值(Epp)，高催化活性的对电极材料应具有较高的峰电流密度和较低的Epp值［22］。图3a是CNT/TiO2－xNx复合物、CNTs和Pt对电极在碘电解质溶液中的循环伏安测试结果，可以看出这3种对电极材料都有明显的两对氧化还原峰，表明这3种对电极材料对I3－的还原反应均具有较好的电催化活性。通过比较CNT/TiO2－xNx、CNTs和Pt的测试结果，我们还可以发现Epp值按照如下顺序递增:CNT/TiO2－xNx＜CNTs＜Pt，峰电流密度，Pt＞CNT/TiO2－xNx＞CNTs。综上，复合物的电催化活性高于CNTs并在一定程度上可以与Pt媲美。这主要是由于N掺杂TiO2的加入在一定程度上能提高复合物的电催化活性所致。电池的电流密度-电压(I-V)曲线可以直接反应DSSC的光电转化效率和电池性能，我们分别将Pt、CNTs和CNT/TiO2－xNx复合物作为对电极组装成电池，在相同条件下测试和对比了这些材料的光电转换效率，结果见图3b，相应的光伏参数见表1。从图3b可以看出，CNT/TiO2－xNx复合物对电极的光电效率为7．16%，与Pt对电极的光电?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Photoelectrochemical properties of MWCNT-TiO2 hybrid materials as a counter electrode for dye-sensitized solar cells[J]. Yu-Qiao Wang,Xue-Ling Gao,Bo Song,Yun-Liang Gu,Yue-Ming Sun. Chinese Chemical Letters. 2014(04)
[2]表面活性剂改性的大孔径介孔炭对电极染料敏化太阳电池(英文)[J]. 徐顺建,罗玉峰,钟炜,肖宗湖. 新型炭材料. 2013(04)
[3]不同炭材料对电极对染料敏化太阳能电池性能的影响[J]. 冯俊,刘贵山,马铁成,胡志强,吴凯卓,张娓娓. 新型炭材料. 2012(04)
本文编号：3621808
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