一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构、制备方法及应用，将六水合氯化钴溶解到溶剂中搅拌，加入氨水反应，然后加入硫代乙酰胺进行搅拌，在高压釜中反应后冷却至室温，弃上清，清洗样品获得纳米结构的Co3S4；将氧化石墨烯超声溶解在溶剂中，加入六水合氯化钴搅拌溶解，然后将氨水逐滴缓慢加入，搅拌后，加入TAA继续搅拌，然后在高压釜中反应后自然冷却到室温，分别用水和乙醇清洗，产物冷冻干燥后待用。通过加入NH3·H2O引入NH3分子，将产物的形貌调节成二维片状结构，增加结构的比表面积。通过在合成过程中引入GO，分散Co3S4纳米片结构，避免了片状结构的团聚现象，提高了Co3S4纳米片的催化活性、电子转移能力和催化稳定性。

A composite structure, preparation method and application of Co3S4 ultra-thin nanoscale /rGO

【技术实现步骤摘要】
一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构、制备方法及应用
本专利技术涉及一种复合纳米功能材料，尤其涉及的是一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构、制备方法及应用。
技术介绍
全球能源危机使得发展新能源成为一项迫切的课题。光伏技术可以将干净、可再生的太阳能转化成电能，是近些年的热门研究。其中敏化太阳电池的合成工艺简单、低消耗引起了研究者的关注。敏化太阳能电池主要包括，光阳极、光敏材料、氧化还原对和对电极。由于Pt对I3-优异的还原性能使得其成为良好的对电极材料。然而，它的价格昂贵导致其大规模商业化生产受限。因此，寻找价格低廉的电极材料代替Pt成为一项重要的工作。近些年大量的研究关注过渡金属硫化物和金属氧化物(MxNy，其中M＝Mo,W,Co；N＝S，O)的电催化性能。其中Co3S4纳米片结构，具有吸引人的金属特性，并且资源丰富、稳定性好、催化性能高，在电化学催化领域具有广阔的应用前景。为了使材料展现出更优异的电化学性能，有几个问题需要解决：(1)控制二维超薄Co3S4结构的制备，二维纳米片结构具有高的比表面积可以为催化反应提供更多的活性位点。对于层状过渡金属硫化物如MoS2、WS2，其二维结构可以很容易通过机械剥离、CVD生长，化学剥离等方式实现。然而，对于非层状化合物如Co3S4，由于缺少内在生长的本征驱动力，一般的方法不适用。目前虽然可以合成Co3S4纳米片，但是较为复杂，需要通过离子交换方法从Co3O4或Co(OH)2层状结构转变，多步反应导致产物损耗，工艺复杂不利于大规模生产；(2)阻碍Co3S4纳米片的团聚；(3)最大限度降低扩散长度；(4)进一步增加电导性，将Co3S4和电导材料耦合在一起可以减少对电极和电解液截面的电荷转移电阻，提高对电极的催化能力。石墨烯拥有高的电子迁移率(～15000cm2/Vs)，良好的柔性，是一种优异的对电极辅助材料。石墨烯大的比表面积和柔性特性可以确保形成渗透通道，保护Co3S4纳米片的团聚。因此，有必要发展一种制备工艺简单，易于工业化生产的Co3S4纳米片/石墨烯复合结构的合成方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构、制备方法及应用，采用了简单的液相水热法通过控制反应溶液的极性和调节NH3分子的量控制原子自组装成Co3S4片状结构。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术的一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备方法，包括以下步骤：(1)Co3S4纳米结构的制备：将六水合氯化钴溶解到溶剂中搅拌，加入氨水反应，然后加入硫代乙酰胺进行搅拌，在高压釜中反应后冷却至室温，弃上清，清洗样品获得纳米结构的Co3S4；(2)Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备：将氧化石墨烯超声溶解在溶剂中，加入六水合氯化钴搅拌溶解，然后将氨水逐滴缓慢加入，搅拌后，加入TAA继续搅拌，然后在高压釜中反应后自然冷却到室温，分别用水和乙醇清洗，产物冷冻干燥后待用。作为本专利技术的优选方式之一，所述步骤(1)中，将300mg的六水合氯化钴溶解在80mL的反应溶液中加入1～9.6mL氨水调节，六水合氯化钴与氨水的料液比为300mg:1～9.6mL。作为本专利技术的优选方式之一，所述步骤(2)中，六水合氯化钴与氨水的料液比为300mg:1～9.6mL。作为本专利技术的优选方式之一，所述溶剂为水、乙醇和乙二醇中的至少一种。作为本专利技术的优选方式之一，所述在高压釜内150～200℃，反应时间为22～30h。一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备方法制备得到的复合物。一种使用所述的复合物制备太阳能电池对电极的方法。一种制备太阳能电池对电极的方法，具体如下：按质量比2.5～4:1配备复合物粉末和粘合剂混合物，将混合物溶在乙醇中研磨后转移到具有FTO的导电衬底上，干燥后在氩气中退火，然后与敏化有染料或量子点的光阳极组装形成太阳能电池器件。作为本专利技术的优选方式之一，所述粘合剂为聚乙二醇粉末。作为本专利技术的优选方式之一，所述导电衬底为玻璃或PET。Co3S4纳米片/rGO复合结构，有效地分散了Co3S4纳米片结构，提高了其稳定性，基于两种片状结构的协同作用，提供了更多的活性位点，展现更高的催化活性和更快的电荷转移能力，是一种优异的敏化太阳能电池对电极材料。本专利技术采用了简单的液相水热法通过控制反应溶液的极性和调节NH3分子的量控制原子自组装成Co3S4片状结构。这种生长方式在氧化石墨烯存在的条件下，仍然成立。氧化石墨烯的表面有大量的功能团，由于静电相互作用，钴离子容易吸附到氧化石墨烯的表面，在其表面形成Co3S4层状结构，同时由于高温高压，氧化石墨烯被还原。使用水，乙醇，乙二醇等多种化学试剂调控反应溶液的极性，使用氨水控制反应过程中NH3分子的量。加入Co源和S源合成钴的硫化物，通过控制溶液的极性和NH3的量实现对产物形貌的控制。在各种极性的反应溶液中加入氧化石墨烯，超声均匀分散。加入Co源后，通过控制氨水的量，形成Co和NH3的配合物Co[NH3]63+。进一步加入S源形成小籽晶，通过高温高压小籽晶自组装成Co3S4纳米片，同时氧化石墨烯被还原形成Co3S4/rGO复合结构。将获得的产物冷冻干燥制成粉末待用。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术相比之前Co硫化物的制备方法，制备工艺更为简单，制备材料比较廉价。生成的产物量大，适合大规模生产。Co3S4/rGO复合结构具有高的催化活性和强的电荷转移能力，具有成为Pt对电极的替代物的前景。通过简单调节水和醇的百分比控制反应溶液的极性，通过加入NH3·H2O引入NH3分子，将产物的形貌调节成二维片状结构，增加结构的比表面积。通过在合成过程中引入GO，分散Co3S4纳米片结构，避免了片状结构的团聚现象，提高了Co3S4纳米片的催化活性、电子转移能力和催化稳定性。附图说明图1是在不同条件下合成产物的XRD图；S1：实施例1的产物，S2：实施例2的产物，S3：实施例3的产物，S4：实施例4的产物，S5：实施例5的产物，S6：实施例6的产物；图2是产物的TEM图像；a-f分别对应图1中的S1-S6；图3是rGO和Co3S4纳米片/rGO的TEM图像；a是rGO的TEM图像，b是Co3S4纳米片/rGO(合成条件与样品S1相似)的TEM图像；图4是循环伏安曲线图；a是Co3S4纳米片/rGO的循环伏安曲线(循环50圈)，b是Co3S4纳米片的循环伏安曲线(循环25圈)；图5是样品S1，样品S5，rGO，Co3S4纳米片/rGO，Pt对电极的阻抗图；图6a是Co3S4纳米片/rGO-染料敏化太阳能电池的示意图，图6b是样品S1，样品S5，rGO，Co3S4纳米片/rGO，Pt对电极组装的染料敏化太阳能电池的效率。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1本实施例包括以下步骤：(1)Co3S4纳米片结构的制备：300mg六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)溶解到80mL水和乙醇(按质量比1：1)的混合物中，搅拌10min。接着，缓慢加入4.8mL氨水搅拌30min后，加入189mg硫代本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)Co3S4纳米结构的制备：将六水合氯化钴溶解到溶剂中搅拌，加入氨水反应，然后加入硫代乙酰胺进行搅拌，在高压釜中反应后冷却至室温，弃上清，清洗样品获得纳米结构的Co3S4；(2)Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备：将氧化石墨烯超声溶解在溶剂中，加入六水合氯化钴搅拌溶解，然后将氨水逐滴缓慢加入，搅拌后，加入TAA继续搅拌，然后在高压釜中反应后自然冷却到室温，分别用水和乙醇清洗，产物冷冻干燥后待用。

【技术特征摘要】
1.一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)Co3S4纳米结构的制备：将六水合氯化钴溶解到溶剂中搅拌，加入氨水反应，然后加入硫代乙酰胺进行搅拌，在高压釜中反应后冷却至室温，弃上清，清洗样品获得纳米结构的Co3S4；(2)Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备：将氧化石墨烯超声溶解在溶剂中，加入六水合氯化钴搅拌溶解，然后将氨水逐滴缓慢加入，搅拌后，加入TAA继续搅拌，然后在高压釜中反应后自然冷却到室温，分别用水和乙醇清洗，产物冷冻干燥后待用。2.根据权利要求1所述的一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将300mg的六水合氯化钴溶解在80mL的反应溶液中加入1～9.6mL氨水调节，六水合氯化钴与氨水的料液比为300mg:1～9.6mL。3.根据权利要求1所述的一种Co3S4超薄纳米片/rGO复合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，六水合氯化钴与氨水的料液比为300mg:1～9...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋童童，吴明在，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34