CN107262080A - 一种新型单原子钛催化剂的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种新型单原子钛催化剂的制备及其应用，属于单原子电催化技术领域。将氧化石墨和异丙醇进行超声分散，搅拌作用下，添加有机金属钛盐的异丙醇溶液，得到混合溶液；其中，氧化石墨在异丙醇中的浓度为1‑5mg/mL，有机金属钛盐与氧化石墨的质量比为0.1‑3:100；混合溶液继续超声分散1‑5h，搅拌2‑20h；离心分离反应所得的混合液，取沉淀，真空干燥；将得到的固体粉末在惰性气氛下热处理，温度400‑900℃，恒温70‑300min，冷却至室温，得到新型单原子钛催化剂。本发明的制备方法操作简单，成本低，组装成染料敏化太阳能电池的光电转化效率较高，是一种很有潜力的染料敏化太阳能电池对电极的替代材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型单原子钛催化剂的制备方法及其在染料敏化太阳能电池对电极中的应用，属于单原子电催化技术领域。
背景技术
在现代化学工业中，绝大多数的化工产品是借助催化剂生产出来的，催化剂的应用非常广泛。从医药、能源、军事，到服装、鞋帽、消费品，从人类、动植物到包围着我们的海、陆、空环境，催化剂的作用无处不在。
上个世纪八十年代，纳米材料的出现，引发了一场技术革命和产业革命。同时也为新型多相催化剂的发展提供了机遇。纳米催化剂具有传统催化剂无可比拟的优良催化活性和选择性，催化材料的纳米效应在一些领域引起了催化性能的突破。更好的控制催化剂活性位点，将纳米结构的活性中心降低至单原子分散的尺度时，原子的利用率就达到了极限，也就得到了单原子催化剂。
单原子催化剂，是由中国科学院大连化物所张涛课题组于2011年提出的概念。它已经在一些催化反应中展现了优异的性能，包括高活性、高选择性等。最近几年，科研人员围绕单原子催化剂展开了大量的研究。然而，如何实现单原子催化剂的可控制备，仍面临着严峻的挑战，急需深入研究。
染料敏化太阳能电池(DSCs)由于具有成本低廉、环境友好、制作工艺简单和光电转换效率高等特点，一经提出就引起广泛关注。在DSCs中，对电极材料在改善器件的光电转换性能方面发挥着十分重要的作用。传统对电极材料为贵金属Pt，由于其储量有限、价格昂贵、易被电解液腐蚀等缺点而无法大规模地应用于DSCs中。因此探索低成本、高效对电极催化剂是染料敏化太阳能电池领域的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型单原子钛催化剂的制备方法，并提供以该催化剂作为染料敏化太阳能电池对电极的一些优化条件。
本发明的技术方案：
一种新型单原子钛催化剂的制备方法，步骤如下：
将氧化石墨和异丙醇进行超声分散，搅拌作用下，添加有机金属钛盐(双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯)的异丙醇溶液，得到混合溶液；其中，氧化石墨在异丙醇中的浓度为1-5mg/mL，有机金属钛盐与氧化石墨的质量比为0.1-3:100；上述得到的混合溶液继续超声分散1-5h，搅拌2-20h；离心分离反应所得的混合液，取沉淀，真空干燥10-40h；将得到的固体粉末在惰性气氛下热处理，温度从室温以1-20℃/min升温速率升至400-900℃，恒温70-300min，冷却至室温，得到新型单原子钛催化剂。
所述的惰性气体选自氩气、氮气或氦气中的一种；
所述的浆料涂覆方法选自旋涂法、刮涂法或喷涂法中的一种；
将得到的单原子钛催化剂与氧化锆珠、异丙醇球磨，所得的浆料喷涂于导电玻璃上；将得到的喷涂过浆料的导电玻璃在烘箱中50-150℃干燥1-5h，得到目标对电极；
所述的导电玻璃上单原子催化剂厚度为1-20μm。
本发明的有益效果是：与已有技术相比，利用本发明方法制备得到的对电极材料为单原子钛催化剂。不仅保持了基底碳材料比表面积大、导电性能好的优点，而且单原子钛的存在提高了对电极材料的给电子能力，进而提高了其催化活性，对电极光电转换效率较高。
本发明所述催化剂的制备方法操作简单，成本低，组装成染料敏化太阳能电池的光电转化效率较高，是一种很有潜力的染料敏化太阳能电池对电极的替代材料。
附图说明
图1是单原子钛催化剂的扫描电镜图(SEM)。
图2是单原子钛催化剂的透射电镜图(TEM)。
图3是单原子钛催化剂的高角环形暗场扫描透射电镜图(HAADF-STEM)。
图4是对电极不同的喷涂用量所对应电池的I-V曲线。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
称取90mg单原子钛催化剂粉末，加入5ml异丙醇，再加入一些锆珠，置于台式分散机中进行球磨分散，频率为37.33Hz，时间为4h。球磨之后，取0.8mL浆料，用美术喷笔将其均匀地喷涂在事先清洗干净的FTO导电玻璃(5cm×2cm)上，然后将喷涂了均匀催化剂膜的FTO导电玻璃置于烘箱中，85℃干燥150min，自然冷却后即得到目标对电极。然后进行器件组装并测试光电性能，在AM1.5，100mW/cm2光照下用KEITHLEY 4200来测试电池的I-V性能曲线，如图4所示。
实施例2
称取90mg单原子钛催化剂粉末，加入5ml异丙醇，再加入一些锆珠，置于台式分散机中进行球磨分散，频率为37.33Hz，时间为4h。球磨之后，取1.0mL浆料，用美术喷笔将其均匀地喷涂在事先清洗干净的FTO导电玻璃(5cm×2cm)上，然后将喷涂了均匀催化剂膜的FTO导电玻璃置于烘箱中，85℃干燥150min，自然冷却后即得到目标对电极。然后进行器件组装并测试光电性能，在AM1.5，100mW/cm2光照下用KEITHLEY 4200来测试电池的I-V性能曲线，如图4所示。
实施例3
称取90mg单原子钛催化剂粉末，加入5ml异丙醇，再加入一些锆珠，置于台式分散机中进行球磨分散，频率为37.33Hz，时间为4h。球磨之后，取1.2mL浆料，用美术喷笔将其均匀地喷涂在事先清洗干净的FTO导电玻璃(5cm×2cm)上，然后将喷涂了均匀催化剂膜的FTO导电玻璃置于烘箱中，85℃干燥150min，自然冷却后即得到目标对电极。然后进行器件组装并测试光电性能，在AM1.5，100mW/cm2光照下用KEITHLEY 4200来测试电池的I-V性能曲线，如图4所示。
Claims (7)
1.一种新型单原子钛催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
将氧化石墨和异丙醇进行超声分散，搅拌作用下，添加有机金属钛盐的异丙醇溶液，得到混合溶液；其中，氧化石墨在异丙醇中的浓度为1-5mg/mL，有机金属钛盐与氧化石墨的质量比为0.1-3:100；上述得到的混合溶液继续超声分散1-5h，搅拌2-20h；离心分离反应所得的混合液，取沉淀，真空干燥10-40h；将得到的固体粉末在惰性气氛下热处理，温度从室温以1-20℃/min升温速率升至400-900℃，恒温70-300min，冷却至室温，得到新型单原子钛催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的有机金属钛盐为双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氩气、氮气或氦气。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的浆料涂覆方法为旋涂法、刮涂法或喷涂法。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的浆料涂覆方法为旋涂法、刮涂法或喷涂法。
6.一种新型单原子钛催化剂的应用，其特征在于，将新型单原子钛催化剂与氧化锆珠、异丙醇球磨，所得的浆料喷涂于导电玻璃上；将得到的喷涂过浆料的导电玻璃在烘箱中50-150℃干燥1-5h，得到目标对电极。
7.根据权利要求6的应用，其特征在于，所述的导电玻璃上单原子催化剂厚度为1-20μm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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