CN105869893A - 一步水热合成石墨烯-SnS2复合对电极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一步水热合成石墨烯‑SnS2复合对电极材料的方法，具体步骤为：将氧化石墨烯加入到去离子水中并超声分散均匀，再将五水合四氯化锡和硫脲或硫代硫酰胺加入到上述溶液中，搅拌形成均匀溶液，然后将形成的均匀溶液转移至水热反应釜中于120‑180℃水热反应1‑24小时，自热冷却后依次用去离子水和乙醇充分洗涤，置于真空干燥箱中于60℃干燥24小时制得石墨烯‑SnS2复合对电极材料。本发明所用的原料均为实验室常见的试剂，价格便宜，制备方法简单，操作简便，制得的石墨烯‑SnS2复合物具有较快的电荷转移能力和良好催化活性，应用于染料敏化光伏电池的对电极，光伏效率最高可达到7.9%，优于同条件下Pt基电池的光伏效率（7.0%）。
Description
技术领域
本发明属于染料敏化光伏电池电极材料的合成技术领域，具体涉及一种一步水热合成石墨烯-SnS2复合对电极材料的方法。
背景技术
能源和环境问题是当前社会普遍关注的问题之一，高效、可持续的绿色能源是当前及未来人们在能源领域的开发重点。太阳能以其资源丰富、环境友好和可持续性而受到广泛关注。染料敏化太阳能电池是一类重要的光伏器件，由于具有高性能、低成本等优势极具开发潜力。染料敏化光伏电池包括敏化光阳极、对电极和电解质三个部分，接受入射光照射后，光阳极上的敏化染料将光电子注入光阳极并传输至外电路，并通过外电路电子传递至对电极，在对电极催化作用下还原电解质中I3 -，形成的I-扩散至光阳极还原氧化态染料，形成完整回路。对电极在染料敏化太阳能电池中的主要作用是催化还原电解质中的I3 -，因而需要具备较高导电性、较大可接触表面积和丰富的表面活性位点。贵金属Pt是传统的对电极材料，但其资源稀缺，成本较高，并且易受碘电解液的腐蚀，开发具有较高催化活性的非Pt对电极材料对染料敏化太阳能电池的商业化有重要意义。
过渡金属硫化物，尤其是具有层状结构的硫化物MS2（M=Mo,W,Sn等）具有催化活性和稳定性较好的优点，而且层间的弱作用力使之易被剥离形成少数层的二维薄片，提供更高比表面积和更多的催化活性位点，因此，在对电极材料方面具有较好的应用前景。但是，二维硫化物导电性较低，通过与导电材料形成复合物则可大幅提高对电极的导电性。石墨烯是一类新型的二维碳材料，具有优越的导电性和较大的比表面积，可广泛用作电极材料，将其与过渡金属硫化物形成复合材料，调控硫化物的结晶和组装，可望同时提高材料导电性以及催化活性，在廉价高效染料敏化太阳能电池中提供较高的光伏性能。
发明内容
本发明的目的是提供了一种一步水热合成石墨烯-SnS2复合对电极材料的方法，所制得的复合对电极材料对I3 -还原反应具有较高催化活性和稳定性，用于染料敏化太阳能电池能提供优越的光伏性能。
本发明为实现上述目的采取如下技术方案，一步水热合成石墨烯-SnS2复合对电极材料的方法，其特征在于具体步骤为：将氧化石墨烯加入到去离子水中并超声分散均匀，再将五水合四氯化锡和硫脲或硫代硫酰胺加入到上述溶液中，搅拌形成均匀溶液，然后将形成的均匀溶液转移至反应釜中于120-180℃水热反应1-24小时，自然冷却后依次用去离子水和乙醇充分洗涤，置于真空干燥箱中于60℃干燥24小时制得石墨烯-SnS2复合对电极材料。
进一步优选，所述的氧化石墨烯、五水合四氯化锡与硫脲或硫代硫酰胺的配比为30-120mg:5mmol:10-30mmol。
本发明所述的石墨烯-SnS2复合材料对电极的制备方法，其特征在于：将上述制得的石墨烯-SnS2复合对电极材料与粘结剂偏聚二氟乙烯按照质量比为9:1的比例进行研磨，再添加乙醇形成混合浆料，然后通过刮涂法将混合浆料涂覆于导电玻璃上并于60℃真空干燥形成石墨烯-SnS2复合材料对电极。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：所用的原料均为实验室常见的试剂，价格便宜，制备方法简单，操作简便，制得的石墨烯-SnS2复合物具有良好的导电性以及较高催化活性和稳定性，应用于对电极中，光伏效率最高可达到7.9%，优于同条件下Pt基电池的光伏效率（7.0%）。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的SnS2对电极材料的SEM图；
图2是本发明实施例1-3制得的对电极材料的XRD图谱；
图3是本发明实施例1和4制得的对电极材料制作的太阳能电池的电流-电压曲线，以Pt作对比；
图4是本发明实施例1和5制得的对电极材料制作的太阳能电池的电流-时间图，以Pt作对比；
图5是本发明实施例6制得的SnS2对电极材料的SEM图；
图6是本发明实施例1和7制得的对电极材料的Tafel极化曲线，以Pt作对比。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于以下实施例。
实施例1
将5mmol的SnCl4·5H2O和10mmol的硫脲加入到80mL去离子水中，磁力搅拌30分钟，将形成的均匀溶液转移至100mL反应釜中，于160℃水热反应12小时，自然冷却后，依次用去离子水和和乙醇充分洗涤并于60℃真空干燥24小时，制得六方片状SnS2对电极材料（图1、图2）。将该材料与PVDF粘结剂及乙醇制成混合浆料，刮涂在导电玻璃上形成对电极，与染料敏化的光阳极及碘电解质组装成染料敏化太阳能电池，测得光伏效率为3.4%（图3）。
实施例2
将30mg GO超声分散进80mL去离子水中形成GO水溶液，然后将5mmol的SnCl4·5H2O和20mmol的硫脲加入到上述GO水溶液中，磁力搅拌30分钟形成均匀溶液，将形成的均匀溶液转移至100mL反应釜中，于160℃水热反应24小时，自然冷却后，依次用去离子水和和乙醇充分洗涤并于60℃真空干燥24小时，制得石墨烯-SnS2复合对电极材料（标记为GS2）（图2）。将该复合对电极材料与PVDF粘结剂及乙醇制成混合浆料，刮涂在导电玻璃上形成对电极，与N719染料敏化的光阳极及碘电解质组装成染料敏化太阳能电池，其光伏效率为7.2%。
实施例3
将60mg GO超声分散进80mL去离子水中形成GO水溶液，然后将5mmol的SnCl4·5H2O和20mmol的硫脲加入到上述GO水溶液中，磁力搅拌30分钟形成均匀溶液，将形成的均匀溶液转移至100mL反应釜中，于120℃水热反应12小时，自然冷却后，依次用去离子水和和乙醇充分洗涤并于60℃真空干燥24小时，获得石墨烯-SnS2复合对电极材料（标记为GS3）（图2）。将该复合对电极材料与PVDF粘结剂及乙醇制成混合浆料，刮涂在导电玻璃上形成对电极，与N719染料敏化的光阳极及碘电解质组装成染料敏化太阳能电池，其光伏效率为6.6%。
实施例4
将90mg GO超声分散进80mL去离子水中形成GO水溶液，然后将5mmol的SnCl4·5H2O和20mmol的硫脲加入到上述GO水溶液中，磁力搅拌30分钟形成均匀溶液，将形成的均匀溶液转移至100mL反应釜中，于160℃水热反应24小时，自然冷却后，依次用去离子水和和乙醇充分洗涤并于60℃真空干燥24小时，获得石墨烯-SnS2复合对电极材料（标记为GS4）。将该复合对电极材料与PVDF粘结剂及乙醇制成混合浆料，刮涂在导电玻璃上形成对电极，与N719染料敏化的光阳极及碘电解质组装成染料敏化太阳能电池，其光伏效率为7.9%（图3）。
实施例5
将120mg GO超声分散进80mL去离子水中形成GO水溶液，然后将5mmol的SnCl4·5H2O和20mmol的硫脲加入到上述GO水溶液中，磁力搅拌30分钟形成均匀溶液，将形成的均匀溶液转移至100mL反应釜中，于160℃水热反应12小时，自然冷却后，依次用去离子水和和乙醇充分洗涤并于60℃真空干燥24小时，获得石墨烯-SnS2复合对电极材料（标记为GS5）。将该复合对电极材料与PVDF粘结剂及乙醇制成混合浆料，刮涂在导电玻璃上形成对电极，与N719染料敏化的光阳极及碘电解质组装成染料敏化太阳能电池，其光伏效率为7.5%，电流-时间图曲线（图4）表明，基于该复合对电极材料的电池具有较高光电流及良好的光电流稳定性，可用作高效、可靠的对电极。
实施例6
将5mmol的SnCl4·5H2O和30mmol的硫代乙酰胺加入到80mL水溶液中，磁力搅拌30分钟形成均匀溶液，将形成的均匀溶液转移至100mL反应釜中，于160℃水热反应12小时，自然冷却后，用去离子水和和乙醇充分洗涤并于60℃真空干燥，获得SnS2对电极材料（图5）。将该SnS2对电极材料与PVDF粘结剂及乙醇制成混合浆料，刮涂在导电玻璃上形成对电极，与N719染料敏化的光阳极及碘电解质组装成染料敏化太阳能电池，其光伏效率为4.9%。
实施例7
将90mg GO超声分散进80mL去离子水中形成GO水溶液，然后将5mmol的SnCl4·5H2O和20mmol的硫代乙酰胺加入到上述GO水溶液中，磁力搅拌30分钟形成均匀溶液，将形成的均匀溶液转移至100mL反应釜中，于160℃水热反应12小时，自然冷却后，充分洗涤并在60℃真空干燥，获得石墨烯-SnS2复合对电极材料（标记为GS7）。将该复合对电极材料与PVDF粘结剂及乙醇制成混合浆料，刮涂在导电玻璃上形成对电极，Tafel极化曲线（图6）表明，该对电极具有较高交换电流与极限扩散电流，有利于I3 -在电极表面的扩散与还原。将该对电极与N719染料敏化的光阳极及碘电解质组装成染料敏化太阳能电池，其光伏效率为7.4%。
以上为本发明的典型实施例，这些实施例描述了本发明的主要特征及特定实施条件下的应用性能。应当指出，对于本技术领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，任何对本发明进行的若干改进和修饰，也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.一步水热合成石墨烯-SnS2复合对电极材料的方法，其特征在于具体步骤为：将氧化石墨烯加入到去离子水中并超声分散均匀，再将五水合四氯化锡和硫脲或硫代硫酰胺加入到上述溶液中，搅拌形成均匀溶液，然后将形成的均匀溶液转移至水热反应釜中于120-180℃水热反应1-24小时，自热冷却后依次用去离子水和乙醇充分洗涤，置于真空干燥箱中于60℃干燥24小时制得石墨烯-SnS2复合对电极材料。
2.根据权利要求1所述的一步水热合成石墨烯-SnS2复合对电极材料的方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯、五水合四氯化锡与硫脲或硫代硫酰胺的配比为30-120mg:5mmol:10-30mmol。
3. 一种石墨烯-SnS2复合材料对电极的制备方法，其特征在于：将依据权利要求1或2的方法制得的石墨烯-SnS2复合对电极材料与粘结剂偏聚二氟乙烯按照质量比为9:1的比例进行研磨，再添加乙醇形成混合浆料，然后通过刮涂法将混合浆料涂覆于导电玻璃上并于60℃真空干燥形成石墨烯-SnS2复合材料对电极。
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