CN110743576B - 一种中空双棱锥结构四元硫化镍铁钼对电极催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中空双棱锥结构四元硫化镍铁钼对电极催化剂的制备方法，并将其应用于染料敏化太阳能电池的对电极中，属于材料制备领域。先制备出枣核形MIL‑88A前驱体，再利用六水合硝酸镍和尿素对前驱体进行刻蚀处理，形成中空双棱锥结构的Ni‑Fe LDH，最后再利用四硫代钼酸铵进行硫化处理，得到中空双棱锥结构四元Ni‑FeMoSx催化剂。本发明制备催化剂的原料廉价易得，工艺过程简单易操作，可适用于规模生产。此方法制备的催化剂比表面积大，稳定性好，具有良好的多元素协同效应以及优异的电催化性能。将制备的中空双棱锥结构四元Ni‑FeMoSx催化剂对电极用于染料敏化太阳能电池，其光电转化效率达到9.41％。
Description
技术领域
本发明属于材料制备与电化学领域，具体涉及一种中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂的制备方法，以及该催化剂在染料敏化电池领域的应用。
背景技术
目前，随着石油、煤炭、天然气等不可再生化石能源的不断消耗，能源危机问题日益严峻，开发可再生的绿色能源已然刻不容缓。现阶段各国主要致力于太阳能、风能、生物质能、地热能及核能的开发，而其中太阳能在所有清洁能源中的利用潜能最大。地球表面每年接收的太阳辐射能相当于130万亿吨标准煤燃烧的能量，而且太阳能具有普遍性，无需考虑运输，也没有地域利用的限制。太阳能的诸多优点使其成为新能源前沿的研究热点，高效利用太阳能可使我们的社会进入能源环保新时代。
Grätzel等人在1991年首次创新性地提出了新型钌配合物染料，组装成染料敏化太阳能电池(DSSC)。1998年，Grätzel等人又制成全固态电池，DSSC电池就此迈入新的阶段。DSSC由三个部分组成类似三明治的结构:对电极、电解质和负载染料的TiO2光阳极。在DSSC中，对电极起着催化氧化还原电对的作用，通常都用贵金属Pt作为催化剂。但是Pt储量稀少，价格昂贵，无法进行大规模生产，亟待寻求一种价格低廉，催化性能较好的非贵金属催化剂。在二十世纪末，Kay等人发现了碳催化材料的优良催化性，效率接近6.70%，但是碳材料不透光的缺点阻碍了其进一步发展。Zhang等利用导电聚合物（聚苯胺）与银溶液中制成聚苯胺-树枝状银复合材料，导电聚合物（吡咯）与金/银制成了Au/Ag-PPy并得到了8.40%的转换效率，显示了复合材料的优越性。
经过对各种材料的对比发现，过渡金属硫属化合物(TMCs)，如FeS2、NiS2、CoS2、WS2等，由于其优异的电导率、丰富的储量和出色的氧化还原能力引起了人们的关注。但是单独一种化合物普遍导电率差，结构不稳定，因此研究者们采用掺杂多元素、设计内部结构的方法来改进催化剂的性能。由此，本发明设计制备了具有中空结构的四元Ni-FeMoSx催化剂，具有较大的比表面积和优异的电催化性能，很有希望成为贵金属Pt催化剂的替代品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成工艺简单，催化性能高的中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂制备方法，用以取代DSSC中贵金属Pt催化剂。此方法合成出的催化剂形貌大小均一，比表面积大且催化活性高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将六水合氯化铁和富马酸按一定比例溶解在DMF中，在室温条件下搅拌均匀充分溶解后，得到澄清的橙黄色溶液；再溶液转移至油浴中反应一段时间后得到枣核形MIL-88A前驱体；
2)将MIL-88A前驱体超声分散在乙醇中，将六水合硝酸镍和尿素溶解在水中，之后再将两种溶液混合搅拌均匀，放入水热釜中进行水热反应，制得中空双棱锥结构的Ni-FeLDH；
3)将步骤2)将所得到Ni-Fe LDH超声分散在乙醇中，加入一定量的四硫代钼酸铵水溶液，在常温下搅拌反应一段时间后得到中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂。
步骤1)所述富马酸、六水合氯化铁的质量比为1:1~2,DMF的体积为每克富马酸对应100 mL DMF，油浴温度为90~120 ℃，反应时间为2~4 h。
步骤2)所述MIL-88A前驱体、六水合硝酸镍和尿素的质量比为0.5~1:1:0.5~2，乙醇与水的体积比为1:1，水热反应温度为90~120 ℃，反应时间为6~8 h。
步骤3)所述的Ni-Fe LDH与四硫代钼酸铵的质量比为1:1~3，乙醇与四硫代钼酸铵中的溶剂水的体积比为10:1，反应时间为1~3 h。
此外，作为参照合成了FeMoSx催化剂，其合成方法是将步骤3)中的Ni-Fe LDH替换为枣核形MIL-88A前驱体。
本发明所得中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂可用于制备染料敏化太阳能电池(DSSC)的对电极。
Ni-FeMoSx催化剂的形成机理可以解释为：六水合硝酸镍在碱性条件下水解，在枣核形前驱体MIL-88A的外表面生成氢氧化镍铁外壳，内部形成中空，即Ni-Fe LDH；在加入四硫代钼酸铵后，Ni-Fe LDH被硫化，生成中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂。
本发明的显著优点在于，是以长度大约为700 nm、宽度约为500 nm的枣核形MIL-88A为前驱体，通过在碱性条件下六水合硝酸镍的水解，在MIL-88A前躯体的外侧生成氢氧化物外壳从而形成Ni-Fe LDH。进一步地，合成的中空双棱锥结构的Ni-FeMoSx催化剂的特点在于，催化剂纳米粒子尺寸较小，长度大约为700 nm，宽度约为500 nm，壳厚约为90 nm，其外形保持了枣核形MIL-88A多面体的形状，外表面布满凸起纳米颗粒，内部为中空结构。这种特殊的结构不但提供了更大的比表面积和更多的活性位点，而且在催化过程中能够通过微孔结构吸收更多的电解液进入到催化剂颗粒内部，进而大大提高催化性能。进一步地，四元Ni-FeMoSx催化剂经XRD测试显示由NiS、MoS2和FeS组成，相较于传统双元素和三元素的催化剂，四元催化剂存在更显著的多元素协同效应，能够扩展太阳光利用的波长范围，进一步加强可见光响应，提高电池的光电转化效率。
附图说明
图1为枣核形前驱体MIL-88A、Ni-Fe LDH和实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂的SEM图。(a)、(b)、(c)为枣核形前驱体MIL-88A，(d)、(e)、(f)为Ni-Fe LDH，(g)、(h)、(i)为实施例1制得的中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂的SEM图。
图2为实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂经过超声破碎之后的SEM图。
图3为Ni-Fe LDH的XRD图谱。
图4为实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂的XRD图谱。
图5为实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂的孔径分布图和N2吸附脱附曲线。
图6为使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成DSSC的J-V曲线及光伏参数。
图7为使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成DSSC的循环伏安曲线。
图8使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成DSSC的极化曲线。
图9为使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成的DSSC的电化学阻抗曲线。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细的说明，但这些例举实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
实施例1：
在圆底烧瓶中加入1.2 g富马酸、1.6 g六水合三氯化铁和120 ml DMF，待完全溶解后将溶液移至油浴锅中，在90 ℃油浴反应2 h，离心收集样品，用DMF和无水乙醇洗涤三次，之后放进真空干燥箱内60 ℃干燥24 h，得到枣核形前驱体MIL-88A。取200 mg MIL-88A超声分散在20 ml乙醇中，取300 mg 六水合硝酸镍与200 mg尿素溶解在20 mL去离子水中，将两种溶液混合搅拌均匀后倒入水热釜中，在90 ℃条件下水热反应6 h，离心洗涤干燥后得到Ni-Fe LDH。再将100 mg上述Ni-Fe LDH分散于100 mL无水乙醇，200 mg四硫代钼酸铵溶于10 mL水中，常温下混合后反应1h，离心干燥获得Ni-FeMoSx催化剂。
实施例2：
在圆底烧瓶中加入1.2 g富马酸、1.6 g六水合三氯化铁和120 ml DMF，待完全溶解后将溶液移至油浴锅中，在90 ℃油浴反应3 h，离心收集样品，用DMF和无水乙醇洗涤三次，之后放进真空干燥箱内60 ℃干燥24 h，得到枣核形前驱体MIL-88A。取200 mg MIL-88A超声分散在20 ml乙醇中，取300 mg 六水合硝酸镍与200 mg尿素溶解在20 mL去离子水中，将两种溶液混合搅拌均匀后倒入水热釜中，在90 ℃条件下水热反应7 h，离心洗涤干燥后得到Ni-Fe LDH。再将100 mg上述Ni-Fe LDH分散于100 mL无水乙醇，100 mg四硫代钼酸铵溶于10 mL水中，常温下混合后反应1h，离心干燥获得Ni-FeMoSx催化剂。
实施例3：
在圆底烧瓶中加入1.2 g富马酸、1.6 g六水合三氯化铁和120 ml DMF，待完全溶解后将溶液移至油浴锅中，在90 ℃油浴反应4 h，离心收集样品，用DMF和无水乙醇洗涤三次，之后放进真空干燥箱内60 ℃干燥24 h，得到枣核形前驱体MIL-88A。取200 mg MIL-88A超声分散在20 ml乙醇中，取300 mg 六水合硝酸镍与200 mg尿素溶解在20 mL去离子水中，将两种溶液混合搅拌均匀后倒入水热釜中，在90 ℃条件下水热反应8 h，离心洗涤干燥后得到Ni-Fe LDH。再将100 mg上述Ni-Fe LDH分散于100 mL无水乙醇，300 mg四硫代钼酸铵溶于10 mL水中，常温下混合后反应1h，离心干燥获得Ni-FeMoSx催化剂。
实施例4：
在圆底烧瓶中加入1.2 g富马酸、1.2 g六水合三氯化铁和120 ml DMF，待完全溶解后将溶液移至油浴锅中，在100 ℃油浴反应2 h，离心收集样品，用DMF和无水乙醇洗涤三次，之后放进真空干燥箱内60 ℃干燥24 h，得到枣核形前驱体MIL-88A。取150 mg MIL-88A超声分散在20 ml乙醇中，取300 mg 六水合硝酸镍与150 mg尿素溶解在20 mL去离子水中，将两种溶液混合搅拌均匀后倒入水热釜中，在100 ℃条件下水热反应6 h，离心洗涤干燥后得到Ni-Fe LDH。再将100 mg上述Ni-Fe LDH分散于100 mL无水乙醇，200 mg四硫代钼酸铵溶于10 mL水中，常温下混合后反应2h，离心干燥获得Ni-FeMoSx催化剂。
实施例5：
在圆底烧瓶中加入1.2 g富马酸、2.0 g六水合三氯化铁和120 ml DMF，待完全溶解后将溶液移至油浴锅中，在110 ℃油浴反应2 h，离心收集样品，用DMF和无水乙醇洗涤三次，之后放进真空干燥箱内60 ℃干燥24 h，得到枣核形前驱体MIL-88A。取150 mg MIL-88A超声分散在20 ml乙醇中，取300 mg 六水合硝酸镍与400 mg尿素溶解在20 mL去离子水中，将两种溶液混合搅拌均匀后倒入水热釜中，在110 ℃条件下水热反应6 h，离心洗涤干燥后得到Ni-Fe LDH。再将100 mg上述Ni-Fe LDH分散于100 mL无水乙醇，200 mg四硫代钼酸铵溶于10 mL水中，常温下混合后反应3h，离心干燥获得Ni-FeMoSx催化剂。
实施例6：
在圆底烧瓶中加入1.2 g富马酸、2.4 g六水合三氯化铁和120 ml DMF，待完全溶解后将溶液移至油浴锅中，在120 ℃油浴反应2 h，离心收集样品，用DMF和无水乙醇洗涤三次，之后放进真空干燥箱内60 ℃干燥24 h，得到枣核形前驱体MIL-88A。取300 mg MIL-88A超声分散在20 ml乙醇中，取300 mg 六水合硝酸镍与600 mg尿素溶解在20 mL去离子水中，将两种溶液混合搅拌均匀后倒入水热釜中，在120 ℃条件下水热反应6 h，离心洗涤干燥后得到Ni-Fe LDH。再将100 mg上述Ni-Fe LDH分散于100 mL无水乙醇，300 mg四硫代钼酸铵溶于10 mL水中，常温下混合后反应3h，离心干燥获得Ni-FeMoSx催化剂。
应用例
DSSC的制作及组装：
染料敏化电池主要有三个部分构成：光阳极、对电极和电解液。
光阳极的制备采用丝网印刷工艺，分别将20 nm和200 nm的工业TiO2溶胶通过丝网印刷技术涂到FTO玻璃上面，随后在马弗炉中500 ℃条件下煅烧1 h。待降至常温后，将其取出浸泡在0.04 M TiCl4水溶液中1 h，之后再放入马弗炉中500 ℃煅烧0.5 h。制备好的光阳极浸泡在0.3 mM的N719染料乙醇溶液过夜进行敏化处理，避光保存。
对电极的制备：取制备好的Ni-FeMoSx催化剂10 mg，在1 mL无水乙醇中超声30~60min，随后以每分钟600~650转的转速均匀旋涂在清洗过的FTO玻璃上(1.5 cm×1.5 cm)，重复3~4次。旋涂后放入烘箱中，在60 ℃煅烧10 min以便蒸发掉样品中的溶剂。每个FTO玻璃上催化剂的装载量约为0.45 mg cm–2。制作Pt对电极作为参考和对比：将20 mM的氯铂酸乙醇溶液在相同条件下旋涂在FTO玻璃上，在450 ℃马弗炉中煅烧0.5 h，得到Pt对电极。
电解液的配制如下：0.05 M I2，0.1 M LiI，0.3 M DMPII（1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘）和0.5 M叔丁基吡啶的乙腈溶液。
电池的组装：用沙林热封膜将对电极和光阳极进行封装，将电解液滴入到对电极和光阳极之间的夹缝中，固定夹紧，构成三明治结构的DSSC。电池的测试条件为AM 1.5G,100 mW cm–2。
图1为枣核形前驱体MIL-88A、Ni-Fe LDH和实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂的SEM图。由图1中(a)-(c)可观察到，枣核形前驱体MIL-88A长为700 nm左右，宽500nm左右，外表面平整光滑。图1中(d)-(f)为Ni-Fe LDH的SEM图，相比于前驱体，其外表面显著粗糙，出现了很多纳米颗粒附着在表面，但外形依旧保持了前驱体的形状。经过超声处理后，可以从图1中(f)破碎的形貌中看出，其内部为中空结构，壳厚大约为80 nm。图1中(h)-(i)为实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂的SEM图。从图中可以看出，催化剂的外表面已经在硫化后生成了许多的大颗粒突起物质，并附着了许多微小的纳米颗粒。这种突起物质和颗粒结构不仅增大了其比表面积，而且暴露了更多的活性位点，使其具有更高的电催化活性。
图2为实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂经过超声破碎之后的SEM图。从图中看出，Ni-FeMoSx催化剂长为700 nm左右，宽500 nm左右，壳厚大约为90 nm。其内部形成空腔，外壁的颗粒结构也更加显著。
图3为Ni-Fe LDH的XRD图谱。Ni-Fe LDH对应于PDF#00-026-1286标准卡片，表示其组成为氢氧化镍铁。
图4为实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂的XRD图谱。由图可以看出，Ni-FeMoSx催化剂可与NiS、MoS2和FeS的标准卡片契合，证明该催化剂含有NiS、MoS2和FeS。
图5为实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂的孔径分布图和N2吸附脱附曲线。测试结果显示，Ni-FeMoSx催化剂的比表面积为124 m2 g–1。由Barrett Joyner Halenda（BJH）计算的孔径主要分布在4.7 nm附近。较大的比表面积和孔结构为催化剂提供了更多的活性位点和离子通道，有效地增强了催化剂的点催化活性。
图6为使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成DSSC的J-V曲线及三种材料制备的对电极的光伏参数。测试结果显示，以Ni-FeMoSx催化剂作为对电极制备的DSSC的开路电压V oc为801 mV，电流密度J sc为17.9 mA cm–2，填充因子FF为65.5%，光电转化效率η为9.41%，比同等条件下测得的参比样品FeMoSx（开路电压V oc为788mV，电流密度J sc为16.8 mA cm–2，填充因子FF为64.2%，光电转化效率η为8.47%）和Pt对电极（开路电压V oc为771 mV，电流密度J sc为16.0 mA cm–2，填充因子FF为64.0%，光电转化效率η为8.09%）效率高。这说明Ni-FeMoSx催化剂所具有的中空结构以及四元素之间的协同作用可以提高其电催化性能，优于同等条件下的三元素催化剂。
图7为使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成DSSC的循环伏安曲线。E pp表示第一氧化峰与第一还原峰之间的电位差值，J Red-1表示与第一还原峰的电流密度。电位差E pp与氧化还原反应的可逆性相关，第一还原峰的电流密度J Red-1与催化I3 –/I–对的速度有关。由图中可以明显看出，每一条CV曲线都有明显的两个氧化还原峰，Ni-FeMoSx催化剂的第一还原峰值比另外两者更高，曲线所围成的面积更大，这说明Ni-FeMoSx催化I3 –/I–的速度在三者中是最快的，催化活性也比其他两者更高。Ni-FeMoSx催化剂的E pp在247 mV左右，优于参比样品FeMoSx（278 mV）和Pt对电极（429 mV）。
图8为使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成的DSSC的极化曲线。在极化曲线中，交换电流密度J 0和极限扩散电流密度J lim是评价电化学性能的两个重要指标。交换电流密度J 0是指阴极或者阳极的斜率，极限扩散电流密度J lim是阳极曲线在y坐标轴上的截距值，这是两个衡量电化学性能的重要参数。由图中曲线可以看出，Ni-FeMoSx催化剂的交换电流密度为1.99 log (mA cm–2)，大于参比样品FeMoSx（1.85log (mA cm–2)）和Pt对电极（1.71 log (mA cm–2)）；同时，Ni-FeMoSx催化剂的极限扩散电流密度也在三者中最大，数值为0.689 log (mA cm–2)，另外两者分别是：参比样品FeMoSx为0.533 log (mA cm–2)，Pt对电极为0.426 log (mA cm–2)，即Ni-FeMoSx催化剂拥有最高的交换电流密度J 0和极限扩散电流密度J lim，这表明在三者中其具有最高的电催化活性。
图9为使用实施例1制得的Ni-FeMoSx催化剂、参比样品FeMoSx和Pt对电极组装成的DSSC的电化学阻抗曲线。阻抗曲线表现出两个半圆，其中左半圆与x轴的第一个交点表示串联电阻(R s )，一般包括FTO基底阻抗、活性材料阻抗以及二者之间的接触阻抗；左半圆的直径表示电极材料表面与电解液的界面电荷传输阻抗(R ct )。右半圆表示电解液内的电荷传输情况，相应的等效电路图通过Z-view软件进行模拟（图8内插图）。如图所示，所有样品的测试曲线具有近似的R s 值，这是由于这几种电极材料的R s 值由FTO基底的阻抗和FTO/电极材料界面阻抗决定，因此其对电极材料电催化性能的参考可以忽略不计。所制备的样品的R ct 的值按顺序排列为：Pt (1.89 Ω) >FeMoSx (1.53 Ω) > Ni-FeMoSx催化剂 (1.12 Ω)。通常，催化剂的催化活性随R ct 的减小而增大，由此可见，催化剂的催化活性由小到大的顺序为：Pt、FeMoSx、Ni-FeMoSx催化剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种中空双棱锥结构四元硫化镍铁钼对电极催化剂的制备方法，其特征在于，先制备出枣核形MIL-88A前驱体，再利用六水合硝酸镍和尿素对前驱体进行刻蚀处理，形成中空双棱锥结构的Ni-Fe LDH，最后再利用四硫代钼酸铵进行硫化处理，得到中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将六水合氯化铁和富马酸按一定比例溶解在DMF中，在室温条件下搅拌均匀充分溶解，得到澄清的橙黄色溶液；
2)将步骤1)中溶液转移至油浴中反应一段时间后得到枣核形MIL-88A前驱体；
3)将MIL-88A前驱体超声分散在乙醇中，六水合硝酸镍和尿素溶解在水中，之后将两种溶液混合充分搅拌均匀，放入水热釜中进行水热反应，制得中空双棱锥结构的Ni-Fe LDH；
4)将步骤3)将所得到Ni-Fe LDH超声分散在乙醇中，加入一定量的四硫代钼酸铵水溶液，在常温下搅拌反应一段时间后得到中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述富马酸、六水合氯化铁的质量比为1:1~2，DMF的体积为每克富马酸对应100 mL DMF。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述油浴温度为90~120 ℃，反应时间为2~4 h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述MIL-88A前驱体、六水合硝酸镍和尿素的质量比为0.5~1:1:0.5~2。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述乙醇与水的体积比为1:1，水热温度为90~120 ℃，反应时间为6~8 h。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述的Ni-Fe LDH与四硫代钼酸铵的质量比为1:1~3。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述乙醇与四硫代钼酸铵中的溶剂水的体积比为10:1，反应时间为1~3 h。
9.一种如权利要求1所述方法制得的中空双棱锥结构四元Ni-FeMoSx催化剂在作为染料敏化太阳能电池对电极上的应用。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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