一种染料敏化电池电极及其制备方法和MIL-47材料的应用技术

本发明专利技术提供了一种染料敏化电池电极及其制备方法和MIL‑47材料的应用。本发明专利技术通过以MIL‑47材料作为DSCs对电极材料的前驱体，开发出了一种原料易得、成本低廉、工艺简单的DSCs对电极的制备方法，解决了现有DSCs中的商业Pt对电极成本高、易腐蚀等问题。本发明专利技术通过使用钒基MOFs材料作为DSCs对电极，丰富了对电极材料的取材范围，达到了降低DSCs成本的目的，为MOFs材料在能量转换器件方面的应用提供了实验基础，并对构建高效DSCs对电极具有指导作用。实验证明，本发明专利技术制备的MOFs材料作为DSCs对电极，导电性能好，催化性能佳且稳定性良好。

【技术实现步骤摘要】
一种染料敏化电池电极及其制备方法和MIL－47材料的应用
本专利技术属于新能源材料与器件技术开发领域，具体涉及一种染料敏化电池电极及其制备方法和MIL-47材料的应用。
技术介绍
染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcells，简称DSCs)具有典型的三明治结构，在两边的导电衬底(通常为FTO导电玻璃)上是染料敏化的光阳极和对电极，二者之间是电解液。其中，对电极的主要作用是用来收集外电路电子并催化电解质中的氧化还原电对的循环再生。对电极常用的对电极材料为Pt，但其价格昂贵，储量有限，且易被电解液腐蚀。因此，针对商业化Pt存在的上述问题，本领域的主要解决方案是降低DSCs成本和提高其稳定性，开发高效、低成本、储量丰富且耐腐蚀的非铂催化材料。迄今为止，各种各样的替代材料如碳材料(活性碳、炭黑、石墨烯、碳纳米管、生物质炭等)、无机化合物(过渡金属碳化物、氮化物、氧化物、硫化物等)、高分子导电聚合物(聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺等)以及由上述材料组成的复合物等相继被开发出来。此外，近年来也发展了一些自牺牲模板材料作为DSCs对电极，如将金属-有机框架(metal-organicframeworks，简称MOFs)在不同温度下焙烧，制备成无金属多孔碳或金属多孔碳复合对电极。MOFs是由有机配体与金属离子通过共价键或离子共价键配位，形成具有多维网状结构的晶体材料。其中，法国凡尔赛大学的Férey研究组合成的MIL(MaterialsofInstitutLavoisier)系列材料是非常著名的一类MOFs材料。作为MIL系列的MIL-47(V)材料，其晶格结构不会在吸附客体分子时发生结构上的转变，也因此一直被人们认为是一种刚性的材料，其晶体由V4+O6与对苯二甲酸酯的联羧基配位形成的三维多微孔材料。特别地，钒元素作为一种典型的多价态过渡金属元素，其化学性质非常活拨，在化合物中能够以+2、+3、+4和+5和等多种价态的形式存在，因此，基于价态的丰富可调控性，钒基复合物成为无机功能材料领域的研究热点之一。
技术实现思路
本专利技术通过以MIL-47材料作为DSCs对电极材料的前驱体，开发出了一种原料易得、成本低廉、工艺简单的DSCs对电极的制备方法，解决了现有DSCs中的商业Pt对电极成本高、易腐蚀等问题。本专利技术的一个目的是提供一种染料敏化太阳能电池电极的制备方法，所述制备方法包括：将MIL-47材料与粘结剂混合后涂于FTO玻璃上，再将涂有所述MIL-47材料的FTO玻璃焙烧后即得。所述方法还包括下述1)-7)所述中的至少一种：1)所述粘结剂包括松油醇、乙基纤维素、PVDF、PVP、和/或Span-85；具体为松油醇2)所述MIL-47材料与粘结剂的质量体积比为：0.5～0.2(g/ml)；具体的，所述MIL-47材料与粘结剂的质量体积比为：5:12(g/ml)；3)所述焙烧包括在氮气和/或空气中焙烧；4)所述涂包括喷涂和/或刮涂；5)所述混合包括将所述MIL-47材料与粘结剂于研钵中研磨5～10min；具体研磨10min；6)所述焙烧包括于500℃下焙烧；7)所述焙烧包括焙烧1～2h；具体焙烧2h。具体的，所述MIL-47材料由下述方法制备得到：将三氯化钒和1，4-苯二甲酸于溶剂中混合后，在180～200℃下保持4～5天，之后冷却至室温；过滤、洗涤得固体；将所述固体于200～220℃焙烧1～2h，再于250～400℃焙烧10～24h，即得MIL-47材料。具体的，MIL-47材料的制备方法还包括下述1)-11)所述中的至少一种：1)所述溶剂包括去离子水、乙二醇和/或乙醇；2)所述洗涤包括使用丙酮洗涤；3)所述洗涤包括洗涤3～5次；4)所述洗涤使用的溶剂与所述固体的质量体积比为50～200；5)所述过滤包括真空过滤；6)所述混合包括搅拌15～30min；具体的，所述混合包括搅拌30min。7)所述保持包括于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中保持；8)所述焙烧包括使用管式炉和/或马弗炉焙烧；9)所述三氯化钒、1，4-苯二甲酸和溶剂的质量比为13:4:150～16:2:120；具体的，所述三氯化钒、1，4-苯二甲酸和溶剂的质量比为14:3:130；10)将三氯化钒和1，4-苯二甲酸于溶剂中混合后，在200℃下保持5天；11)将所述固体于220℃焙烧2h，再于350℃焙烧24h。本专利技术的另一个目的是提供本专利技术任一所述制备方法直接制备得到的电极。具体的，所述电极为染料敏化太阳能电池的电极。本专利技术的再一个目的是提供一种染料敏化太阳能电池电极，所述电极包括FTO玻璃、V8C7和C。具体的，所述V8C7和C是由包括MIL-47的材料焙烧后获得的；再具体的，所述焙烧包括氮气气氛下的焙烧。本专利技术的再一个目的是提供一种染料敏化太阳能电池，所述电池包括本专利技术任一所述的电极。本专利技术的再一个目的是提供本专利技术任一所述制备方法、本专利技术任一所述电极的应用。具体的，所述应用包括下述1)和/或2)：1)用于制备电极或其相关产品；具体的，所述电极为染料敏化太阳能电池的电极；2)用于制备电池或其相关产品；具体的，所述电池为染料敏化太阳能电池。本专利技术的再一个目的是提供本专利技术所述电池的应用。本专利技术的最后一个目的是提供MIL-47材料在下述1)和/或2)所述中的应用：1)用于制备电极或其相关产品；具体的，所述电极为染料敏化太阳能电池的电极；2)用于制备电池或其相关产品；具体的，所述电池为染料敏化太阳能电池。具体的，所述应用包括将含有MIL-47的材料涂于FTO玻璃上后焙烧。再具体的，所述焙烧包括氮气气氛下的焙烧。本专利技术提供的一种源于MIL-47的钒基复合物作为染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其原理包括：MIL-47晶体由V4+O6与对苯二甲酸酯的联羧基配位形成的三维多微孔材料。钒元素作为一种典型的多价态过渡金属元素，其化学性质非常活拨，在化合物中能够以+2、+3、+4和+5和等多种价态的形式存在，因此，基于价态的丰富可调控性，使得钒基复合物成为无机功能材料领域的研究热点之一；此外，MIL-47衍生材料同样具有比表面加大，孔结构丰富的优点，这有利于电解液在对电极材料中的接触、渗透和扩散，从而提高对电极材料的电催化性能。将MIL-47材料于不同气氛下焙烧会得到不同结构和组分的钒基复合物：(1)当在氮气氛围下500℃焙烧时，金属有机骨架由于配体分解产生坍塌并发生碳化反应，利用碳热还原法，V2O5被碳还原得到碳化钒，如VC1-x、V8C7，还原碳化过程中，产生的气体有CO、CO2并随着氮气流流失。随着合成温度的升高，V2O5与C的反应的总过程分为以下几个阶段:V2O5→VO2→V2O3→VC1-x→V8C7。此外还应该有剩余的非晶态的炭黑存在，该复合产物具有严重的缺陷，呈现很大的电催化活性。即是碳原子扩散到碳化钒晶格内部，碳和晶格氧原子扩散到晶格外部形成含碳气体(CO、CO2)放出的过程，最终生成碳原子有序排列的V8C7；(2)当在空气氛围下500℃焙烧时，金属有机骨架由于配体分解同样产生坍塌并发生碳化反应，其中空气氛围中的结构变化相对简单，最终会生成稳定的高价态的V2O5这一单纯的金属氧化物，并且碳元素完全以CO、CO2形式跑掉。但是由于单纯的金属氧化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种染料敏化太阳能电池电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将MIL‑47材料与粘结剂混合后涂于FTO玻璃上，再将涂有所述MIL‑47材料的FTO玻璃焙烧后即得。

【技术特征摘要】
1.一种染料敏化太阳能电池电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将MIL-47材料与粘结剂混合后涂于FTO玻璃上，再将涂有所述MIL-47材料的FTO玻璃焙烧后即得。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下述1)-7)所述中的至少一种：1)所述粘结剂包括松油醇、乙基纤维素、PVDF、PVP、和/或Span-85；2)所述MIL-47材料与粘结剂的质量体积比为：0.5～0.2(g/ml)3)所述焙烧包括在氮气和/或空气中焙烧；4)所述涂包括喷涂和/或刮涂；5)所述混合包括将所述MIL-47材料与粘结剂于研钵中研磨5～10min；6)所述焙烧包括于500℃下焙烧；7)所述焙烧包括焙烧1～2h。3.根据权利要求1和/或2所述的方法，其特征在于，所述MIL-47材料由下述方法制备得到：将三氯化钒和1，4-苯二甲酸于溶剂中混合后，在180～200℃下保持4～5天，之后冷却至室温；过滤、洗涤得固体；将所述固体于200～220℃焙烧1～2h，再于250～400℃焙烧10～24h，即得MIL-47材料。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，MIL-47材料的制备方法还包括下述1)-11)所述中的至少一种：1)所述溶剂包括去离子水...

【专利技术属性】
技术研发人员：史彦涛，李燕茜，
申请(专利权)人：东莞理工学院，北京赛知科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44