CN103480385B - 一种负载型催化剂制备方法及其在染料敏化太阳能电池对电极上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种负载型催化剂制备方法及其应用，属于太阳能电池技术领域，所述制备方法为将金属盐Ⅰ、金属盐Ⅱ与碳源按摩尔比1：（0.1～10）：（10～100）在水中浸渍、烘干、焙烧，本发明有益效果为相同条件下，本发明光电转换效率为9.26%，现有技术中Pt作为对电极的光电转换效率为8.36%，本发明与现有技术比提高了1.11倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载型催化剂制备方法及其在染料敏化太阳能电池对电极上的应用，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
在社会日益高速发展的大趋势下，高效环保能源的利用成为万众瞩目的课题。染料敏化太阳能电池具有理论转换效率高、制作工艺简单、材料来源丰富、可塑性强、无污染以及透明度高等特点，为大规模、低成本及高效率的利用太阳能开辟了一条新途径。目前，常用的染料敏化太阳能电池的对电极是载有贵金属铂(Pt)的导电玻璃。但是铂对电极价格高昂、储量十分有限并且电解液中的氧化还原电对(I-/I3 -)对金属铂有腐蚀作用。这些缺点严重限制了铂在染料敏化太阳能电池中大规模生产和应用的前景。因此，为了降低染料敏化太阳能电池的制作成本，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率，加快其在商业化应用中的发展速度，开发可替代金属铂的高效低成本对电极催化材料具有重要而深远的意义。
碳材料作为染料敏化太阳能电池的对电极已经被验证了其较好的催化效能,例如碳纳米管的应用(Wu M X,Lin X,et al.Energy Environ.Sci.,2011,4,2308-2315)，碳-PEDOT复合材料的应用(Simon J Thompson,et al.J.Phys.2013,46.2:024007)。但是美中不足的是，碳材料的附着性不是很理想，稳定性较差，因而在大工业生厂上有很大的局限性。无机化合物作为染料敏化太阳能电池对电极材料如SnSx(Chen X,HouY,et al.Chem.Commun.,2013,49,5793-5795),CoS(Wang M,A.M.Anghel,B.Marsan,et al.J.Am.Chem.Soc.,2009,131,15976-15976.),MoS2(Yue G,Wu J.H,et al.J.Mater.Chem.A,2013,1,1495-1501),WS2(Wu M X,Wang Y,et al.Phys.Chem.Chem.Phys.,2011,13,19298-19301.),NiS(Sun H,Qin D,et al.Energ Environ.Sci.,2011,4,2630-2637.),TiN(Jiang Q W,Li J R,Gao X P,Chem.Commun.,2009,6720-6722),NiSe2(Gong F,Xu X,Li Z Q,Zhou G,Wang Z S,Chem.Commun,2013,49,1437-1439),因其良好的附着性，较理想的光电转换效率也被作为理想的染料敏化太阳能电池对电极材料。
发明内容
本发明通过以碳材料作为载体，金属元素作为活性组分，采用浸渍法合成一种负载型催化剂，解决了上述问题。
本发明提供了一种负载型催化剂制备方法，所述制备方法为将金属盐Ⅰ、金属盐Ⅱ与碳源按摩尔比1：(0.1～10)：(10～100)在水中浸渍、烘干、焙烧；
所述金属盐Ⅰ和金属盐Ⅱ的阳离子选自钛离子、钒离子、铬离子、锰离子、铁离子、钴离子、镍离子、铜离子、锌离子、镓离子、锗离子、锆离子、铌离子、钼离子、银离子、镉离子、铟离子、锡离子、锑离子、钨离子、镧离子、铈离子、钕离子、铕离子、铒离子和镱离子中两种不同的金属离子。
本发明所述金属盐Ⅰ、金属盐Ⅱ与碳源的摩尔比优选为1：(0.5～5)：(15～50)。
本发明所述金属盐Ⅰ和金属盐Ⅱ的阳离子优选自铬离子、锰离子、钴离子、锌离子、钛离子、镍离子、铜离子、锆离子、铌离子、铟离子、锡离子、镧离子和铈离子中两种不同的金属离子。
本发明所述碳源优选为有序介孔碳、活性炭、炭黑、导电碳、色素碳、碳纤维、碳纳米管、C60和废弃的打印机墨粉中的一种。
本发明所述浸渍时间优选为6～24h。
本发明所述烘干温度优选为30～100℃。
本发明所述焙烧条件优选为在惰性气体保护下400～1000℃焙烧1～12h。
本发明另一方面的目的在于提供上述本发明所述的方法制备得到的负载型催化剂。
本发明又一方面的目的在于提供上述本发明所述的催化剂在染料敏化太阳能电池对电极上的应用，将催化剂在溶剂中分散后涂在基底材料上，焙烧涂催化剂的基底材料得到对电极，对电极与光阳极、I-/I3 -电解液组成染料敏化太阳能电池。
本发明所述基底材料为透明导电玻璃、导电塑料、金属基底、碳材料基底、聚乙烯基底和聚酯高分子基底中的一种。
本发明有益效果为：
①相同条件下，本发明制备的催化剂作为染料敏化太阳能电池对电极的光电转换效率为9.26％，现有技术中Pt作为染料敏化太阳能电池对电极的光电转换效率为8.36％，本发明与现有技术比光电转换效率提高了1.11倍；
②现有技术中未有将三元复合化合物应用在染料敏化太阳能电池对电极上，本发明将三元复合化合物应用在染料敏化太阳能电池对电极上，丰富了染料敏化太阳能电池中对电极材料的取材范围；
③本发明制备的催化剂应用在染料敏化太阳能电池的对电极上，有利于提高染料敏化太阳能电池的催化性能、光电转换效率和稳定性，降低染料敏化太阳能电池的成本。
④反应条件温和、操作简单、对设备要求低、易于实现；
⑤喷涂过程可控性强、工艺简单、易于掌握和操作。
附图说明
本发明附图4幅，
图1为实施例1制备的负载型催化剂25000倍扫描电子显微镜照片；
图2为实施例6制备的负载型催化剂20000倍扫描电子显微镜照片；
图3为实施例7制备的负载型催化剂25000倍扫描电子显微镜照片；
图4为实施例1制备的负载型催化剂作为对电极与Pt作为对电极的J-V曲线对比图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种负载型催化剂制备方法，所述制备方法为将0.6mmol的Co(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中，0.6mmol的Cr(NO3)3·9H2O溶于20ml蒸馏水中；将Co(NO3)2溶液、Cr(NO3)3溶液和16.7mmol的碳纳米管混匀，避光浸渍12h，浸渍后60℃烘干，烘干后在氮气保护下500℃焙烧3h。
实施例2
与实施例1的区别为：
将0.4mmol的Co(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中，0.6mmol的Cr(NO3)3·9H2O溶于20ml蒸馏水中。
实施例3
与实施例1的区别为：
将0.6mmol的Co(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中，0.4mmol的Cr(NO3)3·9H2O溶于20ml蒸馏水中。
实施例4
与实施例1的区别为：
烘干后在氮气保护下450℃烧灼3h。
实施例5
与实施例1的区别为：
烘干后在氮气保护下550℃烧灼3h。
实施例6
与实施例1的区别为：
将1mmol的Zn(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中，1mmol的(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于20ml蒸馏水中。
实施例7
与实施例1的区别为：
将1mmol的Co(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中，1mmol的(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于20ml蒸馏水中。
实施例8
与实施例1的区别为：
将1mmol的Cr(NO3)3·9H2O溶于20ml蒸馏水中，1mmol的(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于20ml蒸馏水中。
实施例9
与实施例1的区别为：
将1mmol的Cr(NO3)3·9H2O溶于20ml蒸馏水中，1mmol的Ni(CH3COO)2·4H2O溶于20ml蒸馏水中。
实施例10
与实施例1的区别为：
将1mmol的Zn(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中，1mmol的Cr(NO3)3·9H2O溶于20ml蒸馏水中。
实施例11
与实施例1的区别为：
将1mmol的Zn(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中，1mmol的Co(NO3)2·6H2O溶于20ml蒸馏水中。
应用例1
将0.2g实施例1得到的负载型催化剂超声分散在0.4ml的异丙醇中，分散后喷涂在FTO导电玻璃上，喷涂后导电玻璃在氮气保护下500℃焙烧30min，冷却至室温后得到对电极，将对电极加热至60℃后与光阳极对扣，所述光阳极附有TiO2胶体，加入I-/I3 -电解液，组成染料敏化太阳能电池；
将电池正负极连接到电化学工作站上，在模拟太阳光(AM-1.5)照射下进行测试，测试结果见表1。
应用例2～11
与应用例1的区别为：
将0.2g实施例2～11得到的负载型催化剂超声分散在0.4ml的异丙醇中。
对比例1
采用传统的Pt作为染料敏化太阳能电池对电极，采用应用例1～11的测试条件进行测试，测试结果见表1。
表1本发明制备的催化剂作为染料敏化太阳能电池的对电极及Pt作为染料敏化太阳能电池的对电极的性能测试
Claims (5)
1.一种负载型催化剂在染料敏化太阳能电池对电极上的应用，其特征在于：将催化剂在溶剂中分散后涂在基底材料上，焙烧涂催化剂的基底材料得到对电极，对电极与光阳极、I-/I3 -电解液组成染料敏化太阳能电池；
所述负载型催化剂的制备方法为将金属盐Ⅰ、金属盐Ⅱ与碳源按摩尔比1：(0.1～10)：(10～100)在水中浸渍、烘干、焙烧；
所述金属盐Ⅰ和金属盐Ⅱ的阳离子分别选自钴离子和铬离子、锌离子和钼离子、钴离子和钼离子、铬离子和钼离子、铬离子和镍离子、锌离子和铬离子、锌离子和钴离子。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述金属盐Ⅰ、金属盐Ⅱ与碳源的摩尔比为1：(0.5～5)：(15～50)。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述浸渍时间为6～24h。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述烘干温度为30～100℃。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述焙烧条件为在惰性气体保护下400～1000℃焙烧1～12h。
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