CN102832049A - 一种导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，具体为一种导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法及应用。将预处理后的导电碳纤维浸泡在氯铂酸的乙醇或异丙醇溶液中过夜，然后烧结即可得到负载铂纳米颗粒的导电碳纤维纳米材料。本发明获得的导电碳纤维/铂纳米材料用作染料敏化太阳能电池对电极，以导电性较好和柔性度高的导电碳纤维基底，解决了导电膜电阻和形变降低电池性能的缺点。该电极可以应用在立体吸光式电池中，提高了太阳光的利用率，使染料敏化太阳能电池可以在狭小的空间内使用，其电极制备方法简单，成本低，有利于染料敏化太阳能电池的大面积商业化应用。

Description

一种导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法及应用
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法及在染料敏化太阳能电池方面的应用。
背景技术
自从1991年M. Gratzel 教授制作了一种基于染料敏化纳米多孔TiO2光阳极，能量转换效率为7.1%的染料敏化太阳能电池（DSSCs）以来，染料敏化太阳能电池由于其较高的理论转化效率、相对简单的制作工艺以及成本低、性能稳定等优点，成为学术界和工业界广泛研究的热点。目前，染料敏化太阳能电池正朝着柔性和固态方向发展，并且出现了立体吸光式电池，提高了太阳光的利用率。
染料敏化太阳电池主要由染料敏化的半导体多孔膜工作电极（最常用的是TiO2），含有氧化-还原电对的电解液（如I3 -/I-）和镀有催化剂的对电极（如Pt）三部分组成。其中，对电极作为染料敏化太阳能电池的一个主要组成部分，对电池的光电转化效率有着重要的影响。对电极的作用是收集外回路的电子并将其快速、低损耗地传递给电解质中的氧化还原电对，从而使氧化态在对电极上被催化还原，使电解质再生。因此，对电极应具有较高的催化活性、并且具有较高的导电性。 
目前文献报道中，染料敏化太阳能电池主要应用Pt对电极、金对电极、镍对电极、碳对电极和导电聚合物等，其中Pt对电极具有高催化活性和相对较低超电势，但其价格昂贵造成制备成本较高，从而给染料敏化太阳能电池的产业化应用带来一定的障碍。开发成本低、催化活性高、性能稳定、面电阻低和制备工艺简单的染料敏化太阳能电池对电极的电极材料是推进染料敏化太阳能电池产业化进程的必然要求。因此降低Pt负载量，并保持对电极的催化活性及光伏性能成为一个研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、导电性能和柔性度高的导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法及作为染料敏化太阳能电池柔性对电极的应用。
本发明提供的一种导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将导电碳纤维依次用去离子水、无水乙醇和丙酮超声清洗后，干燥待用；
（2）将预处理后的导电碳纤维浸泡在氯铂酸的乙醇或异丙醇溶液中过夜，然后在380～385oC下烧结20～25分钟，即可得到负载铂纳米颗粒的导电碳纤维材料，其中所述氯铂酸溶液摩尔浓度为 5～30mmol/L。
本发明中，导电碳纤维的直径为0.2～0.5mm，电导率为9～10Ω/cm。
本发明中，优选的，导电碳纤维的直径为0.3～0.4mm。
本发明提供一种上述制备方法所获得的导电碳纤维/铂纳米材料。
本发明提供导电碳纤维/铂纳米材料作为染料敏化太阳能柔性对电极的应用。
由本发明对电极组成的染料敏化太阳能电池主要包括染料敏化TiO2纳米管光阳极，含I-/I3 -的电解液和负载铂的导电碳纤维对电极。光阳极的导电基底为钛丝，半导体薄膜为TiO2纳米管，染料分子牢固地附着在TiO2纳米管上。对电极的导电基底为导电碳纤维，催化层上的铂纳米颗粒均匀地负载于导电碳纤维的表面。氧化还原电解质置于染料敏化层与铂催化层之间，并通过玻璃管和硅橡胶将整个电池密封。
本发明提供的导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法材料易得、成本低。
本发明中制备的导电碳纤维/铂纳米材料作为染料敏化太阳能电池用柔性对电极，有益效果在于：采用材料易得、成本低且具有良好的导电性能和柔性度极高的导电碳纤维作为导电基底，克服了导电性受形变和膜电阻影响，有利于柔性电池的开发利用；并且该类电极可以应用于立体吸光式染料敏化太阳能电池中，纤维状结构使其可以在狭小的空间内使用，扩大了染料敏化太阳能电池的使用范围；同时在导电碳纤维上负载了一些催化性能较好的铂纳米颗粒，确保了染料敏化太阳能电池的性能，并且有效降低了成本和简化了生产工艺。
附图说明
图1为实施例1制备的负载铂的导电碳纤维放大1000倍的表面形貌图(SEM)。
图2为实施例1制备的负载铂的导电碳纤维放大40000倍的表面形貌图(SEM)。
图3为导电碳纤维和实施例1制备的负载铂的导电碳纤维对电极的循环伏安曲线。
图4为实施例1制备的负载铂的导电碳纤维对电极的催化稳定性测试曲线。
图5为实施例1制备的染料敏化太阳能电池的电流-电压曲线。
图6为实施例1制备的太阳能电池并联后的电流-电压曲线图。
图7为实施例1制备的太阳能电池并联后的功率。
图8为实施例2（曲线a）和实施例3（曲线b）制备的对电极的循环伏安曲线。
图9为实施例2（曲线a）和3（曲线b）制备的染料敏化太阳能电池的电流-电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
将导电碳纤维（直径为0.4mm，电导率10Ω/cm）依次用去离子水、无水乙醇和丙酮超声清洗5分钟，吹干后，浸于10mM氯铂酸的乙醇溶液中，过夜，然后在385oC下烧结20分钟，即可得到负载铂的导电碳纤维材料。如图1、图2所示，铂纳米颗粒的直径为21~43nm，均匀地负载在导电碳纤维上。
导电碳纤维/铂纳米材料作为染料敏化太阳能柔性对电极的应用
利用电化学工作站，采用循环伏安法对负载铂的导电碳纤维对电极对I3 -/I- 电对的催化活性进行研究。循环伏安扫描采用三电极体系，参比电极为Ag/Ag+，对电极为Pt，电解液为含有0.1M LiClO4，10M LiI和1M I2 的乙腈溶液，扫描速度为50mV.s-1。在相同的测试条件下，采用循环伏安法对导电碳纤维对I3 -/I- 电对的催化活性进行对比研究。图3是本发明中导电碳纤维、铂丝和负载铂的导电碳纤维对电极的循环伏安曲线图。从CV结果可以看出铂纳米颗粒已被成功负载在导电碳纤维上，该电极对I3 -/I-具有较好的催化活性。 
利用电化学工作站，采用循环伏安法对负载铂的导电碳纤维对电极对I3 -/I- 电对的催化活性的稳定性进行研究。循环伏安扫描采用三电极体系，参比电极为Ag/Ag+，对电极为Pt，电解液为含有0.1M LiClO4，10M LiI和1M I2 的乙腈溶液，扫描速度为50mV.s-1。由图4循环伏安曲线，可以看出本发明制备的负载铂的导电碳纤维的催化活性比较稳定，循环485周期后对I3 -/I-仍具有较好的催化性能。
将阳极氧化后的Ti丝（0.5 mm）在450oC下，热处理2小时。冷却至室温后，用0.2M TiCl4在60oC下水浴处理1小时，然后在450oC下热处理30min，自然冷却至80oC, 放入0.5 mmol/L N719染料的无水乙醇溶液中敏化12h以上，即可得到敏化TiO2纳米管薄膜。将敏化纳米TiO2纳米管和负载铂的碳纤维平行放入透明玻璃管中，然后用绝缘胶将透明玻璃管两端封装。待绝缘胶室温固化后，用微型注射器注射含有0.1 M 的LiI, 0.05 M 的I2,和0.5M的4-叔丁基吡啶0.1M的N-甲基苯并咪唑，0.1M的硫氰酸胍的3-甲氧基丙腈溶液。然后再用绝缘胶封住注射孔，就可得到基于本发明纤维状对电极的染料敏化太阳能电池。将正负极接入负载，即可在光照下工作。图5所示是以负载铂的导电碳纤维为对电极的染料敏化太阳能电池的电流电压J-V曲线，开路电压为0.76V，短路电流密度为8.67mA.cm-2，填充因子为0.47，电池效率为3.01%。
由所测得的电池性能参数可以看出，负载铂的导电碳纤维是一种很有潜力的染料敏化太阳能电池对电极材料。       
将两个染料敏化太阳能电池并联以及三个电池并联，测试并联电池的性能。如图6和图7所示，并联电池具有较高的输出电流和功率，并且电流密度下降相对较小，从而验证了该类对电极在大面积染料敏化太阳能电池中应用的可能性。
实施例2
将导电碳纤维（直径为0.3mm，电导率9Ω/cm）依次用去离子水、无水乙醇和丙酮超声清洗5分钟，吹干后，浸于5mM氯铂酸的异丙醇溶液中，过夜，然后在380oC下烧结25分钟，即可得到负载铂的导电碳纤维材料。铂纳米颗粒的直径为16~30nm。
导电碳纤维/铂纳米材料作为染料敏化太阳能柔性对电极的应用
利用电化学工作站，采用循环伏安法对负载铂的导电碳纤维对电极对I3 -/I- 电对的催化活性进行研究。循环伏安扫描采用三电极体系，参比电极为Ag/Ag+，对电极为Pt，电解液为含有0.1M LiClO4，10M LiI和1M I2 的乙腈溶液，扫描速度为50mV.s-1，可得如图8（曲线a） 所示循环伏安曲线。
将阳极氧化后的Ti丝（0.4mm）在450oC下，热处理2小时。自然冷却至80oC, 放入0.5 mmol/L N719染料的无水乙醇溶液中敏化12h以上，即可得到敏化TiO2纳米管薄膜。染料敏化太阳电池的组装过程如实施例1。电池性能测试结果如图9（曲线a ）所示，短路电流密度为6.05mA.cm-2，电池能量转换效率为2.09%。
实施例3
将导电碳纤维（直径为0.3mm，电导率9Ω/cm）依次用去离子水、无水乙醇和丙酮超声清洗5分钟，吹干后，浸于30mM氯铂酸的乙醇溶液中，过夜，然后在380oC下烧结25分钟，即可得到负载铂的导电碳纤维电极。铂纳米颗粒的直径为34~50nm。
导电碳纤维/铂纳米材料作为染料敏化太阳能柔性对电极的应用
利用电化学工作站，采用循环伏安法对所植被的负载铂的导电碳纤维对电极对I3 -/I- 电对的催化活性进行研究。循环伏安扫描采用三电极体系，参比电极为Ag/Ag+，对电极为Pt，电解液为含有0.1M LiClO4，10M LiI和1M I2 的乙腈溶液，扫描速度为50mV.s-1。可得如图8（曲线b） 所示循环伏安曲线。
将阳极氧化后的Ti丝（0.4mm）在450oC下，热处理2小时。自然冷却至80oC, 放入0.5mmol/L N719染料的无水乙醇溶液中敏化12h以上，即可得到敏化TiO2纳米管薄膜。染料敏化太阳电池的组装过程如实施例1。电池性能测试结果如图9 （曲线 b）所示，短路电流密度为7.55mA.cm-2，电池能量转换效率为2.46%。
由图8和图9比较可知，实施例3制得的负载铂的导电碳纤维电极对I3 -/I-的催化活性和所组装的电池的能量转化效率均高于实施例2。这可能是由于实施例3中负载铂的量比例2多。

Claims (5)

1.一种导电碳纤维/铂纳米材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）将导电碳纤维依次用去离子水、无水乙醇和丙酮超声清洗后，干燥待用； 
（2）将上述预处理后的导电碳纤维浸泡在氯铂酸的乙醇或异丙醇溶液中过夜，然后在380～385oC下烧结20～25分钟，即可得到负载铂纳米颗粒的导电碳纤维材料，其中所述氯铂酸溶液摩尔浓度为5～30mmol/L。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述导电碳纤维的直径为0.2～0.5mm，电导率为9～10Ω/cm。 
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述导电碳纤维的直径为0.3～0.4mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法得到的导电碳纤维/铂纳米材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法得到的导电碳纤维/铂纳米材料作为染料敏化太阳能柔性对电极的应用。
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