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一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料及其制备方法和应用技术

技术编号:19483768 阅读:26 留言:0更新日期:2018-11-17 11:01
本本发明专利技术公开了一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料:该复合材料为空心的纳米球结构且球的表面呈疏松多孔状均匀分布在掺氮石墨烯上;用作染料敏化太阳能电池对电极时,该电池显示出了优越的光电性能:同等条件下,装备Cu7S4/CuS@nGO对电极材料电池的光电转换效率达到了9.14%,分别高于Cu7S4/CuS的8.11%,CuS的7.01%和Cu7S4的6.71%以及nGO的6.05%,其中循环伏安测试曲线同样显示该复合材料有着优良的催化能力,可以有效地促进电解液/复合材料界面处的碘对离子的氧化还原反应。而且根据30次连续不断地循环伏安测试曲线,相较于Cu7S4/CuS复合材料,Cu7S4/CuS@nGO材料具有更好的电化学稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及染料敏化太阳能电池领域并涉及其对电极材料,具体涉及一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
能源问题一直以来都是本世纪人类所面临的重要问题之一。作为第三代太阳能电池,染料敏化太阳能电池具有制备工艺简单、环境友好、成本低和性能优异等优点。其中对电极作为电池中重要组成部分,一方面可以收集外电路的电子促进电路循环,另一方面它也可以促进碘离子的还原从而催化离子反应。贵金属铂(Pt)以其出色的电化学性能一直以来都被视为对电极的最优人选。但是,一方面由于Pt的储备不足以及昂贵的价格,另一方面Pt不稳定且在碘离子溶液体系中极易被腐蚀为碘化铂(PtI4)从而影响电池的效率。因此,研究储备丰富、成本低、高性能、稳定性高的材料来替代Pt作为染料敏化太阳能电池的对电极显得尤为重要。当今世界各国,也都在为此而不断探索。铜的硫化物有好多种形式,常见的有CuS、Cu2S、Cu7S4和Cu9S5。四硫化七铜,作为铜硫化合物的一种形式,它也是最为稳定的形式。其中硫原子形成了严格的立方晶格,对于电池中的离子反应该晶格为反应中的离子提供了有效的晶体通道从而加快了反应的速率。因其独特的结构和优秀的保留功能被应用在能源转换和能量储存领域。硫化铜是一种典型的p型过渡金属硫化物,因其较窄的帯隙它具有优良的光、电及物理化学性能。而且铜和硫无毒且来源充足,因此被广泛应用到催化领域。例如在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、光催化等领域都有着广泛的应用。其中硫化铜被用作染料敏化太阳能电池对电极材料时面临不少的问题:一方面硫化铜作为电极材料时,导电性相对较低,电池容量衰减较快,这严重制约了电池的光电转换效率。另一方面,硫化铜晶体形成过程中极易团聚,影响活性位点与电解液的有效接触。而且单纯硫化铜作为对电极时,光生电子和空穴的复合速率较快、量子效率比较低,这也制约了电池内部反应速率。硫化铜是一种典型的p型过渡金属硫化物,因其较窄的帯隙它具有优良的光、电及物理化学性能。而且铜和硫无毒且来源充足,因此被广泛应用到催化领域。例如在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、光催化等领域都有着广泛的应用。其中硫化铜被用作染料敏化太阳能电池对电极材料时面临不少的问题:一方面硫化铜作为电极材料时,导电性相对较低,电池容量衰减较快,这严重制约了电池的光电转换效率。另一方面,硫化铜晶体形成过程中极易团聚,影响活性位点与电解液的有效接触。而且单纯硫化铜作为对电极时,光生电子和空穴的复合速率较快、量子效率比较低,这也制约了电池内部反应速率。石墨烯因为其比较大的比表面积和相对突出的化学稳定性引起了学术界的争相研究。但其仍存在一些不足,突出表现在它有着许多含氧缺陷和结构缺陷,而这些东西的存在限制了石墨烯的电化学导电性从而降低电池光电效率的短路电流。然而,掺氮石墨烯不仅包含了石墨烯本身具有的优良品质,还大大修复了上述的不足。四硫化七铜与硫化铜的纳米复合材料融合了不同物质的长处,发挥了彼此之间的协同效应。一方面发挥了硫化铜相对强势的催化性能,另一方面也保留了四硫化七铜相对稳定的结构从而发挥其离子传输通道的作用。这种复合半导体也大大提高了光生电子和空穴的分离效果,而且会减少复合几率,从而大大提高催化活性。掺氮石墨烯的修饰一定程度上克服了该复合材料分散性差的缺陷,而且掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料拥有更加突出的导电性。近年来,关于硫化铜与四硫化七铜的纳米复合材料及掺氮石墨烯的研究常有人报道,如Shuaietal.(MaterialsScienceandEngineering:B,2018,227,74-79)用离子交换法从硫化锌获得硫化铜,并将其用作染料敏化太阳能电池对电极。同等条件下,其光电转换效率达到贵金属铂的92.3%;Kimetal.(JournalofElectroanalyticalChemistry,2015,739,20-27)成功制备出豌豆状纳米硫化铜,并将其用于量子点敏化太阳能电池,其中硫化铜电极实现4.01%的转换效率高于pt的1.07%;Beleanuetal.(SolidStateScience,2016,55:83-87)成功合成出硫化铜并将其用作锂电池的研究中,其结果显示出优良的电化学性能;Chengetal.(NanoscaleResearchLetters,2016,11,117)通过水热法合成二硫化钼和掺氮石墨烯并将二者复合材料用于染料敏化太阳能电池对电极,显示出了优良的光电的性能,其光电转换效率达到了5.95%,达到了Pt光电转换效率6.43%的92.2%;Javedetal.水热法成功合成出四硫化七铜并将其用于超级电容器,得益于其特殊的结构,四硫化七铜展示了相当不错的性能,其中当扫描速度为10mV/s时电容可以达到400F/g,当功率强度达到200W/kg时能量强度可以达到35Wh/kg。Caoetal.(J.Mater.Chem.A,2017,5,20729-20736)通过热液法成功合成四硫化七铜与硫化镍纳米复合材料,并将其用于超级电容器,其结果显示复合材料的性能远高于单纯材料的性能等。这些关于硫化铜、四硫化七铜以及掺氮石墨烯的报道都显示出他们作为能量转换、能量储存领域一份子其独到而又出色的性能。但通过水热法与热液法结合制备出空心多空结构的掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料,并用于染料敏化太阳能电池的对电极还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于:提供一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料及其制备方法和应用。为了实现上述目的,本专利技术提供如下技术方案:一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料,该复合材料为空心的纳米球结构,且球的表面呈疏松多孔状均匀分布在掺氮石墨烯上。一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料的制备方法,具体步骤如下:(1)将三水合硝酸铜和PVP加入乙二醇溶液中,搅拌至其完全溶解;(2)在磁力搅拌下依次、间隔、逐滴向步骤(1)所得溶液中加入氢氧化钠溶液和抗坏血酸溶液,经超声处理后,继续搅拌至其充分混匀;(3)将步骤(2)所得溶液放置在水浴锅中进行水浴反应;(4)将氧化石墨烯粉末置入去离子水中,经超声、磁力搅拌后,依次、逐滴加入氨水和水合肼;(5)将步骤(4)所得溶液置入以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,放入烘箱进行水热反应;(6)将步骤(5)所得溶液进行离心,离心后的沉淀物用去离子水和乙醇反复离心清洗,直到上清液清澈且显示中性,将所得产物在冷冻干燥机中干燥,得到掺氮石墨烯黑色粉末;(7)在步骤(3)所得溶液中依次加入二水合氯化铜、尿素、六次甲基四胺并进行搅拌后依次、缓慢加入硫化钠的乙二醇溶液和掺氮石墨烯的水溶液并进行超声和磁力搅拌处理;(8)将步骤(7)所得溶液置入以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,放入烘箱进行水热反应;(9)将步骤(8)所得溶液进行离心,离心后的沉淀物用去离子水和乙醇反复离心清洗,直到上清液清澈且显示中性,将所得产物在冷冻干燥机中干燥,即得掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料。优选地,氢氧化钠溶液溶质与三水合硝酸铜粉末的物质的量比为6:1,抗坏血本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料,其特征在于:该复合材料为空心的纳米球结构,且球的表面呈疏松多孔状均匀分布在掺氮石墨烯上。

【技术特征摘要】
1.一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料,其特征在于:该复合材料为空心的纳米球结构,且球的表面呈疏松多孔状均匀分布在掺氮石墨烯上。2.一种掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:(1)将三水合硝酸铜和PVP加入乙二醇溶液中,搅拌至其完全溶解;(2)在磁力搅拌下依次、间隔、逐滴向步骤(1)所得溶液中加入氢氧化钠溶液和抗坏血酸溶液,经超声处理后,继续搅拌至其充分混匀;(3)将步骤(2)所得溶液放置在水浴锅中进行水浴反应;(4)将氧化石墨烯粉末置入去离子水中,经超声、磁力搅拌后,依次、逐滴加入氨水和水合肼;(5)将步骤(4)所得溶液置入以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,放入烘箱进行水热反应;(6)将步骤(5)所得溶液进行离心,离心后的沉淀物用去离子水和乙醇反复离心清洗,直到上清液清澈且显示中性,将所得产物在冷冻干燥机中干燥,得到掺氮石墨烯黑色粉末;(7)在步骤(3)所得溶液中依次加入二水合氯化铜、尿素、六次甲基四胺并进行搅拌后依次、缓慢加入硫化钠的乙二醇溶液和掺氮石墨烯的水溶液并进行超声和磁力搅拌处理;(8)将步骤(7)所得溶液置入以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,放入烘箱进行水热反应;(9)将步骤(8)所得溶液进行离心,离心后的沉淀物用去离子水和乙醇反复离心清洗,直到上清液清澈且显示中性,将所得产物在冷冻干燥机中干燥,即得掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料。3.根据权利要求2所述的掺氮石墨烯修饰下四硫化七铜/硫化铜复合材料的制备方法,其特征在于:氢氧化钠溶...

【专利技术属性】
技术研发人员:李广张康姚吉鑫左学勤杨群
申请(专利权)人:安徽大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

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