CN104069880A - 一种复合型催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种复合型催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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郭明星
姜维
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Abstract

本发明涉及一种复合型催化剂及其制备方法和应用，属于太阳能电池对电极技术领域，所述制备方法包括如下步骤：①将铟源与硫源溶于水中，再加入溶剂与模板剂，130～300℃反应4～24h；②将步骤①所得产品与异丙醇球磨得到溶液Ⅰ，碳材料与异丙醇球磨得到溶液Ⅱ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混匀，本发明有益效果为将本发明制备的复合型催化剂作为对电极材料用于DSC中，得到8.66％的光电转化效率，相同条件下，以Pt对电极为参比电极，得到8.75％的光电转化效率，本发明与现有技术比光电转换效率相当。

Description

一种复合型催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种复合型催化剂及其制备方法和应用，属于太阳能电池对电极技术领域。
背景技术
近些年来，染料敏化太阳能电池(DSC)受到众多学者的青睐。目前DSC的研究虽然取得了一系列地进展和突破，但仍有以下问题亟待解决：1、液态电解质的使用导致电池封装困难；2、电池长期稳定性差；3、金属Pt在对电极中使用导致电池成本高等。“提高太阳电池和系统的效率，降低光伏系统的制造成本”是光伏界最完美的理想，放在DSC上也同样适用。受该类电池本身特性所限，上述问题1和2相对较难解决，因而第3点成为突破点，所以研究非铂类对电极催化材料就成为当前研究工作的重中之重。
金属硫化物常被用于润滑材料、催化加氢及耐高温材料等领域。作为无机材料的一类，因其具有优良的稳定性及附着性，一些学者将其作为对电极材料用于DSC中，例如CoS(Wang M,A.M.Anghel,B.Marsan,et al.J.Am.Chem.Soc.,2009,131,15976-15976.),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.)，SnSx(Chen X,Hou Y,et al.Chem.Commun.,2013,49,5793-5795)及MoS2(Yue G,Wu J.H,etal.J.Mater.Chem.A,2013,1,1495-1501)等，并得到了较好的光电转换效率。但已有文献表明，目前将硫化物用于DSC的报道相对较少，还没有将In2.77S4作为对电极催化材料用于DSC的报道。
作为DSC对电极催化材料，碳材料(Wu M X,Lin X,et al.Energy Environ.Sci.,2011,4,2308-2315；Simon J Thompson,et al.J.Phys.2013,46.2:024007)已经被证明具有较好的导电性和催化性能，但由于碳材料较差附着性，因而在应用上受到很大的限制。
发明内容
本发明通过将In2.77S4与碳材料结合成复合材料，即继承了优良的导电性，又能相对提高材料附着性，从而在保证获得较高效率的同时提高电池的稳定性。
本发明提供了一种复合型催化剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
①将铟源与硫源溶于水中，再加入溶剂与模板剂，130～300℃反应4～24h；
②将步骤①所得产品与异丙醇球磨得到溶液Ⅰ，碳材料与异丙醇球磨得到溶液Ⅱ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混匀；
所述步骤①所得产品与异丙醇的质量比为1：0.5～100；
所述碳材料与异丙醇的质量比为1：0.5～100；
所述溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的质量比为1：0.01～100。
本发明所述铟源与硫源的摩尔比优选为1：0.5～5。
本发明所述铟源优选为三价铟盐，进一步优选为硝酸铟、氯化铟或乙酰丙酮铟。
本发明所述硫源优选为硫脲、十二硫醇、L-半胱氨酸、硫代乙酰胺或硫化氢。
本发明所述溶剂优选为酒石酸、吡啶、二甲基亚砜、油胺或正丁醇。
本发明所述模板剂优选为斯盘80、溴化十六烷基三甲基铵、聚乙二醇或聚山梨酯。
本发明所述碳材料优选为活性炭、导电碳、石墨、有序介孔碳、炭黑、色素碳、碳纤维、碳纳米管、C60或废弃的打印机墨粉。
本发明的另一目的是提供上述方法制备得到的复合型催化剂。
本发明的又一目的是提供上述复合型催化剂在染料敏化太阳能电池对电极上的应用。
本发明优选为将复合型催化剂分散后涂在基底材料上，焙烧涂复合型催化剂的基底材料得到对电极，对电极与光阳极、I-/I- 3电解液组成染料敏化太阳能电池。
本发明所述基底材料优选为透明导电玻璃、导电塑料、金属基底、碳材料基底、聚乙烯基底或聚酯高分子基底。
本发明有益效果为：
①将本发明制备的复合型催化剂作为对电极材料用于DSC中，得到8.66％的光电转化效率，相同条件下，以Pt对电极为参比电极，得到8.75％的光电转化效率，本发明与现有技术比光电转换效率相当；
②本发明将In2.77S4、In2.77S4/C复合材料应用于DSC对电极上，丰富了DSC中对电极材料的取材范围；
③将本发明制备的复合材料应用于DSC对电极上，有利于提高和增强DSC光电转换效率和稳定性，降低DSC的成本；
④本发明制备方法反应条件温和、工艺简单、可控性强、对设备要求低、易于实现。
附图说明
本发明附图4幅，
图1为实施例1制备得到的In2.77S4的X射线衍射图；
图2为实施例1制备得到的In2.77S4的10000倍扫描电子显微镜照片；
图3为实施例2制备得到的In2.77S4/C复合型催化剂的10000倍扫描电子显微镜照片；
图4为实施例1制备得到的In2.77S4、实施例2制备得到的In2.77S4/C复合型催化剂及Pt作为参比对电极的J-V曲线图。
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In2.77S4的制备方法，所述制备方法为：将0.6g InCl3与0.8g硫代乙酰胺溶于30mL蒸馏水中，再加入30mL正丁醇与2mL斯盘80搅拌混匀，先移入聚四氟乙烯套管中，再放入高压反应釜内密封，150℃反应24h，自然冷却至室温，将沉淀物分别用无水乙醇和蒸馏水洗涤3次，60℃烘干。
实施例2
一种In2.77S4/C复合型催化剂的制备方法，所述制备方法为：将0.2g实施例1得到的In2.77S4与5mL异丙醇球磨得到溶液Ⅰ，将0.2g导电碳与5mL异丙醇球磨得到溶液Ⅱ，按质量比1：4将溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混匀。
实施例3
与实施例2的区别为：
按质量比1：1将溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混匀。
实施例4
与实施例2的区别为：
按质量比4：1将溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混匀。
实施例5
与实施例2的区别为：
将导电碳替换为碳纳米管。
实施例6
与实施例2的区别为：
将导电碳替换为石墨。
实施例7
与实施例2的区别为：
将导电碳替换为活性炭。
应用例1
将0.2g实施例1得到的In2.77S4超声分散在5mL异丙醇后喷涂在FTO导电玻璃上，在氮气保护下500℃焙烧30min，冷却至室温得到对电极，将对电极加热至60℃后与光阳极对扣，所述光阳极附有TiO2薄膜，加入I-/I- 3电解液，组成染料敏化太阳能电池。
将染料敏化太阳能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2～7
与应用例1的区别为：
将实施例2～7得到的In2.77S4/C复合型催化剂喷涂在FTO导电玻璃上。
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1～7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 (10)

1.一种复合型催化剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
①将铟源与硫源溶于水中，再加入溶剂与模板剂，130～300℃反应4～24h；
②将步骤①所得产品与异丙醇球磨得到溶液Ⅰ，碳材料与异丙醇球磨得到溶液Ⅱ，溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混匀；
所述步骤①所得产品与异丙醇的质量比为1：0.5～100；
所述碳材料与异丙醇的质量比为1：0.5～100；
所述溶液Ⅰ与溶液Ⅱ的质量比为1：0.01～100。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铟源为三价铟盐。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述硫源为硫脲、十二硫醇、L-半胱氨酸、硫代乙酰胺或硫化氢。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂为酒石酸、吡啶、二甲基亚砜、油胺或正丁醇。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述模板剂为斯盘80、溴化十六烷基三甲基铵、聚乙二醇或聚山梨酯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳材料为活性炭、导电碳、石墨、有序介孔碳、炭黑、色素碳、碳纤维、碳纳米管、C60或废弃的打印机墨粉。
7.权利要求1所述的方法制备得到的复合型催化剂。
8.权利要求7所述的复合型催化剂在染料敏化太阳能电池对电极上的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：将复合型催化剂分散后涂在基底材料上，焙烧涂复合型催化剂的基底材料得到对电极，对电极与光阳极、I-/I- 3电解液组成染料敏化太阳能电池。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：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、聚乙烯基底或聚酯高分子基底。
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