Cu1.8Se/C复合纳米管阵列及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及Cu1.8Se/C复合纳米管阵列及其制备方法和应用，纳米管阵列由生长在导电基底上的碳纳米管和生长在碳纳米管内壁的Cu1.8Se纳米颗粒组成，首先在ZnO/ZnSe阵列上包覆碳层，进一步通过阳离子交换在碳层内壁原位负载了Cu1.8Se纳米粒子。该阵列可直接用作量子点敏化太阳能电池的对电极，组装成三明治结构的量子点敏化电池。所合成的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列的性能远远高于传统的Cu2S/黄铜片、Pt对电极和Cu1.8Se纳米管阵列。本发明专利技术的方法为制备其他材料的量子点敏化太阳能电池对电极提供了可以借鉴的思路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机材料制备领域，尤其是涉及一种Cu1.8Se/C复合纳米管阵列及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，随着能源问题和环境的问题的日益凸显，发展清洁能源无疑是解决这些问题的有效途径。量子点敏化太阳能电池具备很多独特的优势，被认为是一种具有潜力的电池。但是，目前光电转换的效率还比较低，极大地限制了量子点敏化太阳能电池的实际性的应用。对电极是QDSSCs的一个重要组成部分，电子流经对电极进入电解液发生还原反应，形成一个整体的循环通路。对电极材料的选择对于电池的性能起着至关重要的作用。一种良好的对电极材料应该具备高的催化活性，高导电性，大比表面积。高催化活性能够提高催化还原多硫电解质的反应速率；高导电性能够为电子的流通提供顺畅的电子通道；大比表面积能够为催化反应的进行提供充足的活性位点。此外，一种高效的对电极材料在多硫电解液中必须具备高的化学稳定性。由于硫的化学吸附会毒化Pt基对电极，Pt并不能有效的催化还原多硫电解质。而传统的硫化铜/黄铜片对电极中的铜会持续被多硫电解质腐蚀，稳定性较差，同时其有限的比表面积也限制了其活性的提高。硒化铜因其具有高导电性和高催化活性，所得电池性能较高，但是目前对于硒化铜的研究较少。一维纳米管阵列因其具有特殊结构，具有电子迁移率和催化活性高等优点。但是由于硒化铜本身半导体的特性导致其电子导电性远远不如金属和碳材料，不能直接用作对电极。这些阵列往往需要从基底上剥离下来，通过与导电剂混合和涂覆在导电基底上制成对电极。中国专利CN101871117A公开了一种p型半导体纳米材料CuXSe/TiO2纳米管阵列及其制备方法，其将TiO2纳米管阵列置5mmol-20mmolCuSO4溶液中，采用脉冲电镀在标准三电极体系中，在TiO2纳米管阵列上电沉积单质铜得到Cu/TiO2复合纳米管阵列；沉积之后在NaOH碱性溶液中电氧化一定的时间，得到超细Cu2O纳米线修饰的TiO2纳米管阵列；再将Cu2O/TiO2纳米管阵列放入硒离子溶液中，光照搅拌30min-60min，得到硒化铜纳米管阵列。在基于超细Cu2O纳米线修饰的TiO2纳米管阵列，可以有效地扩展TiO2在可见光区的吸收范围并且降低电子空穴对复合的几率,在可见光光下会产生更多的光生电子和光生空穴,所以更有利于Cu2O与硒离子溶液反应生成硒化铜。该专利采用电沉积的方法将Cu单质沉积到TiO2纳米管表面，合成工艺比较复杂。本申请采用低温离子交换和模板牺牲的方法合成了Cu1.8Se/C，且因其为原位生长于FTO导电玻璃的表面，能够有效低的降低量子点敏化太阳能电池的电阻，提高界面电子迁移率，进而提高光电转换效率。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种内壁负载有Cu1.8Se的大孔碳纳米管阵列，性能远远高于Cu2S/黄铜片、Pt和Cu1.8Se纳米管阵列。本专利技术的另一个目的是提供制备Cu1.8Se/C复合纳米管阵列的方法。本专利技术的另一个目的是Cu1.8Se/C复合纳米管阵列的应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：Cu1.8Se/C复合纳米管阵列，由生长在导电基底上的碳纳米管和生长在碳纳米管内壁的Cu1.8Se纳米颗粒组成。所述的碳纳米管的厚度为3-10nm，直径为60-90nm。所述的Cu1.8Se纳米颗粒为粒径3-10nm的立方相Cu1.8Se，其XRD的峰与标准卡片(JCPDF88-2045)相一致，说明为纯相的Cu1.8Se。所述的Cu1.8Se纳米颗粒均匀分布在碳纳米管内壁。Cu1.8Se/C复合纳米管阵列的制备方法，采用以下步骤：(1)在惰性气氛下将氧化锌阵列浸入1-10mmol/L硒离子溶液中保持0.5-5h；(2)在经过步骤(1)处理的阵列上沉积碳层，然后在1-100wt％冰醋酸溶液中浸泡5-120min；(3)在惰性气氛(氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上混合物)下将步骤(2)处理过的阵列在0.01-1mmol/L铜离子溶液中浸泡0.5-10h，经过去离子水冲洗、干燥后即可获得Cu1.8Se/C复合纳米管阵列。含有硒离子的溶液为如Li2Se与LiBH4混合溶液、Na2Se与NaBH4混合溶液、K2Se与KBH4混合溶液、(NH4)2Se与NaBH4混合溶液中的一种或两种以上混合物。所述的铜离子溶液为硝酸铜、硫酸铜、醋酸铜或高氯酸铜的水或三聚乙二醇溶液，浓度优选为0.05mmol/L。制备得到的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列可以作为量子点敏化电池对电极材料。与现有技术相比，本专利技术制备的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列可以直接用作量子点敏化电池对电极，不需要进行剥离和再次成膜；同时内壁负载的Cu1.8Se不易脱落，碳纳米管导电基底稳定性好，所得对电极具有良好的耐电解质腐蚀性。制备的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列可在电化学催化和光电化学领域具有良好的应用前景；同时该方法为制备其他金属硒化物/碳管阵列的合成提供了可以借鉴的思路。附图说明图1为实施例1制得产物的X射线衍射谱图；图2为实施例1制得产物的扫描电子显微镜照片；图3为实施例1制得产物的透射电子显微镜照片；图4为实施例1和2中所得量子点敏化太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术所制备材料的物相通过XRD-6000(Shimadzu)型X-射线衍射仪(Cu靶，镍滤波片滤波，λ＝0.154纳米，管电压40千伏，管电流30毫安，扫描范围10度～80度)进行表征。本专利技术所制备材料的形貌通过JEOL公司JEM-2010型透射电子显微镜进行观察获得，所得对电极的表面形态俯视图和膜厚度通过Hitachi公司S-4800型扫描电子显微镜进行观察获得。实施例1一种Cu1.8Se/C对电极材料的制备方法，其步骤如下：将FTO导电玻璃切割大小为2.5cm*1.5cm，用去污粉洗涤FTO，依次使用丙酮、95％乙醇、二次去离子水，超声洗涤20min，用N2吹干备用。将ZnO(0.4g)和柠檬酸(0.96g)加入到二次去离子水(10mL)中，搅拌2小时，加入无水乙二胺(0.35mL)，搅拌10分钟。用移液枪(1000μL)准确量取700μL该混合溶液旋涂到FTO表面，然后对其进行退火处理。冷却至室温后，将其浸入到含有Zn(Ac)2(15.0mM)，六亚甲基四胺(12本文档来自技高网...

【技术保护点】
Cu1.8Se/C复合纳米管阵列，其特征在于，该纳米管阵列由生长在导电基底上的碳纳米管和生长在碳纳米管内壁的Cu1.8Se纳米颗粒组成。

【技术特征摘要】
1.Cu1.8Se/C复合纳米管阵列，其特征在于，该纳米管阵列由生长在导电基底
上的碳纳米管和生长在碳纳米管内壁的Cu1.8Se纳米颗粒组成。
2.根据权利要求1所述的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列，其特征在于，所述的碳
纳米管的厚度为3-10nm，直径为60-90nm。
3.根据权利要求1所述的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列，其特征在于，所述的
Cu1.8Se纳米颗粒为粒径3-10nm，晶型与标准立方相Cu1.8Se(JCPDF88-2045)一致。
4.根据权利要求1所述的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列，其特征在于，所述的
Cu1.8Se纳米颗粒均匀分布在碳纳米管内壁。
5.如权利要求1-4中任一项所述的Cu1.8Se/C复合纳米管阵列的制备方法，其
特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)在惰性气氛下将氧化锌阵列浸入1-10mmol/L硒离子溶液中保持0.5-5h；
(2)在经过步骤(1)处理的阵列上沉积碳层，然后在1-100wt％冰醋酸溶液
中浸泡5-120min...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏，宰建陶，钱雪峰，李波，陈文龙，刘雪娇，黄守双，何青泉，李晓敏，马对，刘园园，张洋，张敏敏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31