单原子Pt对电极及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种单原子Pt对电极及其制备方法和应用，该对电极的原料包括导电碳材料和单原子Pt催化剂，将单原子Pt催化剂与导电碳材料混合，加入一定量的有机溶剂后球磨形成分散浆料；将上述分散浆料喷涂在洁净的导电基底上，经过加热后即得所述对电极。本发明专利技术的单原子Pt对电极可以大幅减少Pt的用量，从而使得对电极成本大幅降低，有利于推动DSCs的产业化。

Monoatom Pt pair electrodes and their preparation methods and Applications

The present application discloses a single atom Pt pair electrode and its preparation method and application. The raw material of the pair electrode includes conductive carbon material and single atom Pt catalyst. The single atom Pt catalyst is mixed with conductive carbon material, and a certain amount of organic solvent is added to form a dispersed slurry by ball milling. The dispersed slurry is sprayed on a clean conductive substrate, and the opposite electrode is obtained after heating. The single atom Pt pair electrode of the invention can greatly reduce the consumption of Pt, thereby greatly reducing the cost of the pair electrode, and is conducive to promoting the industrialization of DSCs.

【技术实现步骤摘要】
单原子Pt对电极及其制备方法和应用
本申请涉及新材料与新能源器件领域领域，具体而言，涉及一种单原子Pt对电极及其制备方法和应用
技术介绍
染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcells，简称DSCs)是一种具有代表性第三代光伏技术，也是目前已知的唯一使用液态电解液的太阳能电池。DSCs通常由光阳极、染料、电解质以及对电极组成。DSCs电解质中的有效成分为氧化还原电对，起着电荷转移的作用，其中，最常用的电对为碘电对，其构成为碘离子/碘三离子(I—/I3—)。碘电对将电子转移给激发态的染料分子以后，碘离子变为碘三离子。作为完成电荷转移最重要的一个环节，碘三离子需要在DSCs对电极进行还原，该反应俗称为碘还原反应。碘还原反应影响碘电对的再生过程，并进一步影响DSCs器件光电转换效率。因此，对电极电催化活性的高低将直接决定碘还原反应的进度。当前，常用的对电极材料为贵金属铂(Pt)。传统的Pt对电极是指在导电基底上通过真空蒸镀、电镀或者化学热镀的方法沉积上一层Pt薄膜，厚度约为30nm～50nm。这种对电极消耗的Pt量巨大，尤其是采用真空蒸镀制备时，还有造成很大的浪费。Pt为贵金属，其储藏量十分有限，以当前的方式制备Pt对电极势必会造成DSCs成本的提高，不利于今后的大规模生产和应用。因此，降低Pt使用量并保持其较高的催化活性是本领域亟待解决的问题。减小催化剂颗粒尺寸、提高其比表面积是减低贵金属Pt使用量的一个重要手段。制备小尺寸Pt纳米颗粒，并以此为基础制备DSCs对电极早已有报道，例如制备Pt纳米粒子并将其负载在导电载体上。但是，越来越多的研究表明，当Pt的粒子尺寸降低到一定程度后，其稳定性会大幅下降。例如，当把Pt粒子尺寸降低到纳米甚至是亚纳米尺寸时，金属表面自由能显著增大，容易形成聚集体并减低催化活性。另外，将Pt制备成纳米粒子后并不能明显降低Pt的使用量，因为制备的对电极依然需要较多质量的Pt。单原子催化剂是指将单个金属原子通过化学键合的方式固定在载体上，以此可以实现100％的金属原子利用率，可以预见，使用单原子催化剂能够最大幅度降低贵金属用量并降低器件制造成本。因此，根据目前DSCs对电极在提高Pt原子利用率方面存在的问题，一方面，考虑将Pt制备成单原子，以此最大幅度提高其原子利用率；另一方面，也应该考虑寻找合适的载体材料能够牢固固定单个的Pt原子，使其在工作状态下不发生团聚现象，确保其长期稳定性。因此，开发高活性、高稳定性的Pt单原子催化剂对于降低DSCs生产成本具有极其重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种单原子Pt对电极，该对电极的原料包括导电碳材料和单原子Pt催化剂，单原子Pt催化剂以过渡金属化合物为单原子Pt的载体，通过化学键合的方式将单原子牢牢固定，以防止其团聚；导电碳材料的作用是增加对电极的导电性，从而有利于电荷的传输。具体的，单原子Pt催化剂采用共沉淀法或化学吸附法制备而成；在制备对电极之前，将单原子Pt催化剂先进行氢气还原；过渡金属化合物为过渡金属元素的氧化物、硫化物或碲化物；导电碳材料为活性炭或超细鳞片石墨；对电极原料中单原子Pt催化剂的质量百分比30％-50％。优选的，单原子催化剂中Pt质量百分比含量为1.7％-2.32％；单原子Pt催化剂为Pt/FeOx单原子催化剂；其制备在水溶液中进行，其中包含1.0×10-2molL-1-0.8mol/L-1氯铂酸、1.0mol/L-1硝酸铁以及1.0mol/L-1碳酸钠,在50℃、pH8.0左右的条件下进行沉淀反应，约1h反应完全发生后，离心分离，沉淀物于60℃干燥5h，之后在马弗炉中400℃烧结5h；导电碳材料和单原子Pt催化剂的质量比为1:1；导电碳材料粒径为40nm～50nm；在制备对电极之前，将单原子Pt催化剂先进行氢气还原是指在200℃条件下向所述单原子Pt催化剂通入含有10％氢气的氦气，还原反应0.5h。本专利技术还提供一种前述单原子Pt对电极的制备方法，包括如下步骤：(1)将单原子Pt催化剂与导电碳材料混合，加入一定量的有机溶剂后球磨形成分散浆料；(2)将上述分散浆料喷涂在洁净的导电基底上，经过加热后即得所述对电极。具体的，上述制备方法还包括：(1)有机溶剂为乙醇、异丙醇、环己烷中的至少一种；(2)球磨分散时间为3-4h；(3)球磨采用行星式球磨机；(4)加热处理为温度80～200℃加热1～3h；(5)导电基底为FTO玻璃、ITO玻璃、ITO/PEN柔性基底、金属钛片或金属钛网；(6)将导电基底放入超声清洗15min，取出后用去离子水冲洗，之后依次用去离子水和无水乙醇各超声清洗15min，取出后用无水乙醇冲洗吹干即得所述洁净的导电基底。在本专利技术的单原子Pt对电极中，Pt以单一的原子形式存在，所有原子都起到了催化的作用，因此其贵金属原子利用率实现了最大化。Pt原子与过渡金属化合物载体之间具有强键合作用，这种作用可以将单原子牢牢固定，以避免Pt单原子之间的相互团聚。另外，载体与Pt原子之间存在一定程度的电子转移，这将影响Pt的催化性能。过渡金属化合物是固定单原子的理想材料，但其导电性较差，因此，将单原子材料与导电碳材料混合在一起可以提高对电极的导电性。本专利技术还提供一种单原子Pt对电极的应用，将本专利技术的单原子Pt对电极应用于太阳能电池领域。本专利技术还提供一种单原子Pt对电极的应用方法，该方法包括：(1)在对电极的对角顶点上各打一个小孔。(2)取染料敏化后的光阳极，在光阳极活性面积之外用沙林膜覆盖完整，之后盖上对电极并进行热封，确定光阳极和对电极紧密连接。(3)从一个小孔抽气使对电极与光阳极之间的空间产生负压，之后利用这一负压从另一个小孔灌注电解质，以确保光阳极和对电极之间的空间完全被电解质填充。(4)在对电极上的两个小孔上涂覆紫外固化胶，之后放入紫外固化箱中完成最后的封装。具体的，该应用方法还包括下述1)-6)中的至少一种：1)光阳极和对电极活性面积在0.16cm2～100cm2。2)光阳极与对电极之间的间隙为20μm～45μm。3)小孔孔径约为0.5mm。4)用塑胶管连通气泵，塑胶管的一头紧贴对电极上的小孔进行抽气。5)灌注电解质的过程重复3-4次。6)电解质可以是液态电解质，也可以是凝胶电解质。进一步的，如使用凝胶电解质，需要在完成封装之后将电池放在烘箱中加热，加热温度控制在80℃左右。凝胶电解质组成为：0.1M的LiI,0.1molL-1的I2,0.6molL-1的1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘，0.45molL-1的N-甲基本并咪唑，溶剂为甲氧基丙腈，凝胶剂为聚环氧乙烷(分子量200万)，添加量为液态电解质质量的5.0％。将对电极连同光阳极组装层完整电池器件，如使用凝胶电解质，凝胶电解质对器件的稳定性起到积极的作用。一方面，凝胶电解质本身不易挥发和泄漏，另一方面，凝胶电解质中往往含有高分子凝胶剂，这种高分子材料会对光阳极或者对电极的固体表面产生一定的钝化效果，从而抑制界面副反应的发生。本专利技术的有益效果：本专利技术的单原子Pt对电极可以大幅减少Pt的用量(减少至传统Pt电极的百分之一以下)，从而使得对电极成本大幅降低，也有利于推动DSCs的产业化。这种新的对电极具有优异的催化效果，可以确保对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单原子Pt对电极，其特征在于，所述对电极的原料包括导电碳材料和单原子Pt催化剂，所述单原子Pt催化剂以过渡金属化合物为单原子Pt的载体。

【技术特征摘要】
1.一种单原子Pt对电极，其特征在于，所述对电极的原料包括导电碳材料和单原子Pt催化剂，所述单原子Pt催化剂以过渡金属化合物为单原子Pt的载体。2.根据权利要求1所述的单原子Pt对电极，其特征在于包括以下(1)-(5)中的一项或多项：(1)采用共沉淀法或化学吸附法制备所述单原子Pt催化剂；(2)在制备对电极之前，将所述单原子Pt催化剂先进行氢气还原；(3)所述过渡金属化合物为过渡金属元素的氧化物、硫化物或碲化物；(4)所述导电碳材料为活性炭或超细鳞片石墨；(5)所述对电极原料中单原子Pt催化剂的质量百分比30％-50％。3.根据权利要求2所述的单原子Pt对电极，其特征在于包括以下(1)-(5)中的一项或多项：(1)所述单原子催化剂中Pt质量百分比含量为1.7％～2.32％；(2)所述单原子Pt催化剂为Pt/FeOx单原子催化剂；(3)所述导电碳材料和单原子Pt催化剂的质量比为1:1；(4)所述导电碳材料粒径为40nm～50nm；(5)所述在制备对电极之前，将所述单原子Pt催化剂先进行氢气还原是指在200℃条件下向所述单原子Pt催化剂通入含有10％氢气的氦气，还原反应0.5h。4.权利要求1-3任一项所述的单原子Pt对电极的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将单原子Pt催化剂与导电碳材料混合，加入一定量的有机溶剂后球磨形成分散浆料；(2)将上述分散浆料喷涂在洁净的导电基底上，经过加热后即得所述对电极。5.根据权利要求4所述的单原子Pt对电极的制备方法，其特征在于包括以下(1)-(6)中的一项或多项：(1)所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、环己烷中的至少一种；(2)所述球磨分散时间为3-4h；(3)所述球磨采用行星式球磨机；(4)所述加热处理为温度80～200℃加热1～3h；(5)所述导电基底为FTO玻璃、ITO玻璃、ITO/PEN柔性基底、...

【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