染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法与应用，用于DSSCs的催化活性高、导电性高、成本低的纳米可控3D多孔石墨烯对电极的制备方法及其应用。将PS球悬浮液与GO溶液混合均匀、超声分散后，加入硫脲，再次超声分散，得混合溶液；将上述混合溶液于高温下反应，得到的石墨烯凝胶经干燥得到PS球/石墨烯凝胶复合物；将上述的PS球/石墨烯凝胶复合物碳化，即得PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯；将PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯与松油醇共同研磨，得黏浆；将得到的黏浆涂覆到基底电极表面，即得。实现了3D多孔石墨烯的可控制备，作为DSSCs对电极材料，其光电转换效率高，在储能领域应用前景光明。步骤简单、操作方便、实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于染料敏化太阳能电池
，涉及一种纳米可控3D多孔石墨烯染料敏化太阳能电池对电极的制备方法及其应用。
技术介绍
染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有转化效率高、制备工艺简单环保、成本低等优点，有望取代传统硅基太阳能电池为人类提供洁净能源。DSSCs常用的对电极材料为贵金属铂。然而，铂作为一种贵金属，其价格昂贵，在自然界中储量有限，且极易被碘基电解质腐蚀，因此，许多研究者致力于研究碳材料来代替铂。石墨烯作为一种单原子层二维碳材料，具有优异的电化学性能、光学性能及力学性能，已广泛用于能源的存储与转化领域中。同时，石墨烯经自组装可形成3D立体结构，其中石墨烯凝胶作为一种独立的整体材料，内部大量的孔洞组成了高导电的网络结构，这样的结构有利于提高对电极的导电性及电催化活性，构筑高效率的DSSCs。然而，目前的石墨烯凝胶通常由氧化石墨通过水热法直接获得，其内部孔径结构并不可控，这将在一定程度上影响其电化学性能。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术涉及了一种以聚苯乙烯球(PS球)做模板调控的纳米可控3D多孔石墨烯作为DSSCs对电极。这种经PS球调控的3D石墨烯褶皱丰富，内部具有尺度可控的孔径结构，大量的孔洞使得材料形成了既开放又相互联系的网络通道，有利于电解液的扩散及与材料的接触，同时暴露了更多的活性位点，大大提高了对电极材料的电催化活性及导电性。该电极用于DSSCs的催化活性高、导电性高、成本低。但研究中发现，随着3D多孔石墨烯分散程度的增强，石墨烯与FTO、ITO等基底的结合力变差，易因接触不良导致3D多孔石墨烯的电子转移电阻较大。为了克服这一问题，本专利技术对3D多孔石墨烯表面形貌、制备工艺以及结合强度间的关系进行了系统研究和大规模实验，偶然发现：当采用模板法制备的3D多孔石墨烯中中等孔径、大孔径、小孔径的比例为40～42：45～47：15～16时，获得的3D多孔石墨烯比表面积增大，分布更为均匀，与FTO、ITO等基底的结合强度大大增强，有助于电解质和反应物的扩散。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯，所述石墨烯中中等孔径、大孔径、小孔径的比例为40～42：45～47：15～16。本专利技术中上述的中等孔径是指：孔径为170～172nm，上述的小孔径是指：孔径为130～132nm、上述的大孔径是指：孔径为220～225nm。为了实现3D多孔石墨烯微孔形貌结构的精确控制，本专利技术还提供了一种与其对应的制备方法，通过采用聚苯乙烯球(PS球)做模板实现了3D多孔石墨烯微孔形貌结构的精确调控，具体技术方案如下：一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯的制备方法，包括：将PS球悬浮液与GO溶液混合均匀、超声分散后，加入硫脲，再次超声分散，得混合溶液；将上述混合溶液于高温下反应，得石墨烯凝胶，干燥，得PS球/石墨烯凝胶复合物；将上述的PS球/石墨烯凝胶复合物碳化，即得PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯。优选的，所述PS球与GO的质量比为1:1～3:1；优选的，所述PS球的孔径为130～132nm、170～172nm或220～225nm；研究发现：多孔石墨烯中孔径的大小和分布比例对其电催化活性及导电性有较大影响，特别是作DSSCs对电极时，内径范围和孔径比例的不可控性，严重影响了石墨烯DSSCs对电极的催化效率。为此，本专利技术对其进行深入研究后，发现：当石墨烯DSSCs对电极中，石墨烯的中等孔径为170～172nm、小孔径为130～132nm、大孔径为220～225nm时，可大幅提高DSSCs对电极的催化效率，构筑高效率的DSSCs。优选的，所述高温下反应条件为：于160-180℃下反应15-20h；优选的，所述碳化条件为：于800～1000℃下碳化2-3h；优选的，所述PS球的制备方法为：a)取二次水、乳化剂苯乙烯磺酸钠、苯乙烯，于60-90℃、转速300-500r/min下，反应20-40min，得预聚合溶液；b)预聚合溶液在过硫酸钾引发剂存在条件下聚合，得到不同粒径的PS球悬浮液、洗涤，稀释，备用。本专利技术还提供了任一上述的方法制备的PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯。本专利技术还提供了一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯DSSCs对电极，包括；基底电极；负载在所述基底电极上的PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯；所述石墨烯中中等孔径、大孔径、小孔径的比例为40～42：45～47：15～16。本专利技术还提供了一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯DSSCs对电极的制备方法，包括：将PS球悬浮液与GO溶液混合均匀、超声分散后，加入硫脲，再次超声分散，得混合溶液；将上述混合溶液于高温下反应，得到的石墨烯凝胶经干燥得到PS球/石墨烯凝胶复合物；将上述的PS球/石墨烯凝胶复合物碳化，即得PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯；本专利技术还可以采用二氧化硅微球控制，但二氧化硅微球模板的去除过程比较麻烦，需要长时间的碱洗或HF酸洗，较危险。而PS球在280℃即可降解完全，简单方便。将PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯与松油醇共同研磨，得黏浆；将得到的黏浆涂覆到基底电极表面，即得。优选的，所述PS球与GO的质量比为1:1～3:1；若ps球浓度或比例过低，ps球并不能对氧化石墨烯片产生足够的挤压，从而会影响其褶皱的形成。优选的，所述PS球的孔径为130～132nm、170～172nm或220～225nm；优选的，所述高温下反应条件为：于160-180℃下反应15-20h。当反应温度小于160℃时，石墨烯交联反应速率较慢，生成凝胶过大，凝胶中大孔径较多，与基体的结合强度变差，电阻变大，导电性降低。当反应温度大于180℃时，石墨烯凝胶收缩严重，石墨烯中小孔径较多，不利于电解液的快速扩散。优选的，所述碳化条件为：于800～1000℃下碳化2-3h；碳化的作用一是要除去模板分子PS球(280℃即可分解)，二是进一步脱除水热反应未完全除去的石墨烯上的含氧官能团，800℃即可达到目的。优选的，所述PS球的制备方法为：a)取二次水、乳化剂苯乙烯磺酸钠、苯乙烯，于60-90℃、转速300-500r/min下，反应20-40min，得预聚合溶液；b)预聚合溶液在过硫酸钾引发剂存在条件下聚合，得到不同粒径的PS球悬浮液、洗涤，稀释，备用。本专利技术还提供了一种较优的PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯DSSCs对电极的制备方法，具体是按以下步骤进行的：a)取300-400ml二次水加入到烧瓶中，保持温度60-90℃，转速300-500r/min。加入乳化剂苯乙烯磺酸钠，50-60ml苯乙烯，反应20-40min。b)加入引发剂过硫酸钾，100-150ml二次水，惰性气体保护的氛围下聚合15-20h，得到不同粒径的PS球悬浮液。c)将上述PS球悬浮液分别用水、乙醇离心洗涤3-5次，最后得到的纯净PS球稀释到30-50mg/ml。d)取上述PS球悬浮液加入到GO溶液中，超声20-40min。加入0.5-2g硫脲，继续超声5-10min，调节PH至10。e)将上述反应溶液转移到50-100ml反应釜中，160-180℃反应15-20h。得到的石墨烯凝胶经干燥得到PS球/石墨烯凝胶复合物。在惰性气体氛围下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯，其特征在于，所述石墨烯中中等孔径、大孔径、小孔径的比例为40～42：45～47：15～16。

【技术特征摘要】
1.一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯，其特征在于，所述石墨烯中中等孔径、大孔径、小孔径的比例为40～42：45～47：15～16。2.一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：将PS球悬浮液与GO溶液混合均匀、超声分散后，加入硫脲，再次超声分散，得混合溶液；将上述混合溶液于高温下反应，得石墨烯凝胶，干燥，得PS球/石墨烯凝胶复合物；将上述的PS球/石墨烯凝胶复合物碳化，即得PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PS球与GO的质量比为1:1～3:1；或所述PS球的孔径为130～132nm、170～172nm或220～225nm；或所述高温下反应条件为：于160-180℃下反应15-20h；或所述碳化条件为：于800～1000℃下碳化2-3h；或所述PS球的制备方法为：a)取二次水、乳化剂苯乙烯磺酸钠、苯乙烯，于60-90℃、转速300-500r/min下，反应20-40min，得预聚合溶液；b)预聚合溶液在过硫酸钾引发剂存在条件下聚合，得到不同粒径的PS球悬浮液、洗涤，稀释，备用。4.权利要求2或3所述的方法制备的PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯。5.一种PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯DSSCs对电极，其特征在于，包括；基底电极；负载在所述基底电极上的PS球调控的纳米可控3D多孔石墨烯；所述石墨烯中中等孔径、大孔径、小孔径的比例为40～42：45～47：15～16。6.一种PS球调控的纳米可控3D多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宗花，卢冰，夏建飞，赵凯，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37