CN104319102A - 一种制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的方法，为一步水热还原法，即：将钼酸或氧化钼与硫氰酸铵及氧化石墨烯水溶液加入水热反应器中，并使碳纤维同时垂直浸没在反应液中，然后在160～200℃下进行水热还原反应12～36小时，反应结束，取出碳纤维，用去离子水和无水乙醇洗涤后干燥。本发明方法具有工艺简单、反应条件温和、产率高、重现性好及易于规模化等优点；尤其是，应用本发明所制备的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池的光电转换率明显高于由负载MoS2或铂的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池，对促进染料敏化太阳能电池的商业应用具有重要价值。

Description

一种制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的方法
技术领域
本发明是涉及一种制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
过渡金属层状二元化合物(MX2)因具有良好的热、光、电、力学、催化等性能及其在太阳能领域潜在的应用前景，引起了物理、化学、材料等众多领域研究人员的广泛关注。纳米二硫化钼便是其中的典型代表之一。二硫化钼是(MoS2)一种具有半导体性质的化合物，晶体由单层或多层二硫化钼组成，具有“三明治夹心”层状结构。其Mo-S棱面相当多，比表面积大，反应活性高。层内是很强的共价键，层间则是较弱的范德华力，层与层很容易剥离，具有良好的各向异性。由于硫元素对金属具有很强的粘附力，使得二硫化钼能很好地附着在金属表面，而且随着二硫化钼的粒径变小，其在材料表面的附着性和覆盖程度会明显提高。目前，有关二硫化钼在染料敏化太阳能电池中作为对电极的应用研究已有相关报道。
石墨烯是近年来发现的一种由单层sp2杂化碳原子构成的二维蜂窝状碳原子晶体。石墨烯具有优异的导电性能、较好的透光性能和较大的比表面积。与碳纳米管相比，石墨烯的电子结构和性能更容易通过化学修饰和掺杂的方法进行调控。石墨烯已经被广泛应用于各类催化剂、纳米电子器件、太阳能电池及生物传感器等领域。石墨烯/二硫化钼纳米复合材料中，经石墨烯的大π键与二硫化钼表面电子结构的相互作用，会形成一种新的电子结构。同时，石墨烯的高导电性可以提高复合材料的电子传递速率，有利于光生电子–空穴对的分离，从而提高光电转换效率，增强复合材料的光电化学性能和光催化性能。石墨烯/二硫化钼纳米复合材料所具有的独特的微观结构和物理、化学特性，在克服石墨烯零带隙的缺点的同时可依然保留石墨烯的很多优点，从而在众多领域特别是染料敏化太阳能电池领域拥有广阔的应用前景。
与传统的平板太阳能电池相比，立体采光式太阳能电池能从周围各个方向吸收太阳光，提高了太阳光的利用率。纤维状对电极在立体采光式染料敏化太阳能电池中的主要作用是收集并输运外电路的电子和催化还原电解液中的氧化还原电对(I3 -/I-)，直接影响着电池的性能和成本。因此，研究制备工艺简易、成本低廉、化学性能稳定和具有较高催化活性的纤维状对电极对推动立体采光式染料敏化太阳能电池的应用具有重要意义。
现有技术中关于纤维状对电极的制备主要是采用分步法，即：首先合成对电极材料，然后利用浸渍或溶胶-凝胶方法将对电极材料附着在纤维状的导电基底上，材料和导电基底间的结合力比较弱，容易剥离，导致电极稳定性不高，影响了其推广应用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的方法，实现以简单工艺、低成本制备高稳定性的纤维状对电极，以促进立体采光式太阳能电池的商业应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的方法，为一步水热还原法，即：将钼酸(H2MoO4)或氧化钼(MoO3)与硫氰酸铵(NH4SCN)及氧化石墨烯水溶液加入水热反应器中，并使碳纤维同时垂直浸没在反应液中，然后在160～200℃下进行水热还原反应12～36小时，反应结束，取出碳纤维，用去离子水和无水乙醇洗涤后干燥，即得所述的负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极。
作为优选方案，钼酸或氧化钼与硫氰酸铵的摩尔比为1：(4.0～4.5)。
作为进一步优选方案，反应液中，钼酸或氧化钼的摩尔浓度为0.05～0.1mol/L，硫氰酸铵的摩尔浓度为0.1～0.5mol/L。
作为优选方案，氧化石墨烯水溶液的浓度为0.01～0.2mg/mL。
作为优选方案，所述的氧化石墨烯采用Hummers氧化法合成制得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用一步水热还原法制得了负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极，具有工艺简单、反应条件温和、产率高、重现性好及易于规模化等优点；尤其是，应用本发明所制备的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池的光电转换率明显高于由负载MoS2或铂的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池，对促进染料敏化太阳能电池的商业应用具有重要价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的表面形貌图(SEM照片)。
图2为实施例制备的三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料与氧化石墨烯的拉曼光谱对比图；其中：曲线a为氧化石墨烯；曲线b为三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料。
图3为实施例制备的三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料与二硫化钼的X光衍射图谱对比图；其中：曲线A为三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料；曲线B为二硫化钼。
图4为基于三种不同纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池的电流–电压测试曲线对比图；其中：曲线a为基于负载铂的纤维状对电极组装形成的针状染料敏化太阳能电池；曲线b为基于负载二硫化钼的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池；曲线c为基于负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
实施例
一、采用Hummers氧化法合成制备氧化石墨烯
将46mL浓硫酸置于250mL烧杯中，在冰浴和磁力搅拌下，缓慢加入2.0g石墨粉和1.0g NaNO3，搅拌均匀后，再缓慢加入6.0g高锰酸钾，继续搅拌均匀后转入35℃的油浴中反应30分钟，然后缓慢加入去离子水稀释至250mL，再加入30％的H2O2溶液中和未反应的高锰酸钾，将最后得到的土黄色溶液离心，用去离子水反复洗涤至溶液为中性，离心分离、干燥，即得到氧化石墨烯。
二、将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，配制成浓度为0.01～0.2mg/mL的氧化石墨烯水溶液，待用。
三、采用一步水热还原法制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极
将0.005mol的钼酸(H2MoO4)或0.005mol的氧化钼(MoO3)与0.020mol的硫氰酸铵(NH4SCN)及60mL浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液加入100mL内衬聚四氟乙烯的水热反应器中，并使碳纤维同时垂直浸没在反应液中，然后密封，在160～200℃下进行水热还原反应12～36小时，反应结束，将碳纤维取出，用去离子水和无水乙醇反复洗涤后，于60℃下干燥1小时，即得到负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极。
图1为得到的负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的表面形貌图(SEM照片)，由图1可见：纤维状对电极表面所负载的石墨烯/二硫化钼复合材料为三维花状。
图2为制备的三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料与氧化石墨烯的拉曼光谱对比图；其中：曲线a为氧化石墨烯；曲线b为三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料；由图2可见：ID/IG的值分别为1.29和1.21，ID/IG值的减小，说明氧化石墨烯被还原为石墨烯。
图3为制备的三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料与二硫化钼的X光衍射图谱对比图；其中：曲线A为三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料；曲线B为二硫化钼；由图3可见：采用本发明方法可合成制得二硫化钼。
效果对比实验
将阳极氧化的钛(Ti)丝在450℃下加热处理2小时，冷却至室温后，在60℃下，用0.2mol/L的四氯化钛(TiCl4)溶液处理1小时，然后在450℃下热处理30分钟，自然冷却至80℃，放入0.5mmol/L的N719染料的无水乙醇溶液中，敏化12小时以上，得到钛丝光阳极。
利用上述Ti丝光阳极分别与负载Pt，MoS2和石墨烯/MoS2复合材料的碳纤维对电极组装成染料敏化太阳能电池，并进行电池性能测试。
其中负载Pt的碳纤维对电极及负载MoS2的碳纤维对电极的制备为现有技术，在此不再赘述。
图4为基于三种不同纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池的电流–电压测试曲线对比图；其中：曲线a为基于负载铂的纤维状对电极组装形成的针状染料敏化太阳能电池；曲线b为基于负载二硫化钼的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池；曲线c为基于负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池；由图4可见：基于本发明制备的负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池的光电转换率明显高于基于负载MoS2或铂的纤维状对电极组装形成的染料敏化太阳能电池。
最后有必要在此说明的是：上述实施例只用于对本发明的技术方案做进一步详细说明，仅用于帮助理解本发明的技术内容，不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的非本质改进和调整均属于本发明所要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种制备负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极的方法，其特征在于，为一步水热还原法，即：将钼酸或氧化钼与硫氰酸铵及氧化石墨烯水溶液加入水热反应器中，并使碳纤维同时垂直浸没在反应液中，然后在160～200℃下进行水热还原反应12～36小时，反应结束，取出碳纤维，用去离子水和无水乙醇洗涤后干燥，即得所述的负载三维花状石墨烯/二硫化钼复合材料的纤维状对电极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：钼酸或氧化钼与硫氰酸铵的摩尔比为1：(4.0～4.5)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：钼酸或氧化钼在反应液中的摩尔浓度为0.05～0.1mol/L，硫氰酸铵在反应液中的摩尔浓度为0.1～0.5mol/L。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：氧化石墨烯水溶液的浓度为0.01～0.2mg/mL。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯采用Hummers氧化法合成制得。
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