一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极及其制备方法和应用，属于太阳能光电转换及存储技术领域。本发明专利技术提供了一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极，该电极由下往上依次由基底层、电子传输层、同质结层组成。其中用于构建同质结层的富碳氮化碳CNx和富碳氮化碳CNy具有水溶性，分散性得到提高，有助于形成有效界面；同时二者属于同分异构体，具有光电转换和电荷存储的双重功能，结构上的匹配性有助于形成紧密接触的同质结，通过同质结内部界面的内建电场分离光生电子空穴，可实现电池自身的电子循环，无需在电解质中加入电子牺牲剂。用该电极制备的电池在AM1.5太阳光辐照下可获得200～500C/g的电容量。200～500C/g的电容量。200～500C/g的电容量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于太阳能光电转换及存储
，涉及一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超级电容器、锂(钠/钾)离子电池、锌离子电容器、燃料电池等储能器件作为光伏技术的能量输出终端被广泛研究。目前太阳能电池和储能器件的混合能源系统可以通过共用对电极的方式使其结构达到最简。但是由于存在电位窗口匹配、电池连接阻抗、电路设计等问题使得该系统在能量转换效率的提高、器件的简化、电路的结构以及生产能耗的降低等方面依然面临着严峻的挑战，即混合能源系统的复杂性严重阻碍着其性能的提高。为了解决这一问题，开发具有光电转换和电荷存储双重功能的可光充电电极材料成为该领域研究的前沿。
[0003]在可光充电电极材料中，光电转换和电荷存储同时发生，以不同的电极反应动力学或反应活性位点/区域相互协调，是实现太阳能光电存储最为直接的解决方案，最大限度地减少了电路连接带来的电子损耗，并且不存在光伏电极与储能电极电位窗口匹配的问题。自2016年S.Kalasina等人报道了带隙值为2.85eV的Co(OH)2可以在光照下产生赝电容行为以来，各种具有可光充电效应的电极材料被相继开发，近年来尤其对氮化碳可光充电电极材料研究最多，但仍都处于研发阶段，电极的制备技术尚不成熟，其光充电容量处于低于100C/g的水平。
[0004]氮化碳是一种有机半导体聚合物，以庚嗪环为结构单元，通过缩聚形成二维分子网络。其可光充电性能来自于碳氮共轭双键(由庚嗪环提供)形成的分子骨架，通过π键的共轭效应支持电子在整个骨架内的离域运动而增长寿命，从而实现在氮化碳中的电荷积累。氮化碳在光电
面临的最大问题是光生电荷复合效应显著，导致光生电荷产率不高，从而阻碍了充电性能的提高。为了促进光生电荷分离，提高氮化碳可光充电电池的存储容量，目前常用的技术方案有两种：一是构建氮化碳与其它材料形成的异质结；二是在电解质溶液中加入电子牺牲剂。由于形成异质结需要两种材料形成紧密的接触界面，因此对材料结构的匹配性要求高。但是常用的氮化碳材料均不具备水溶性，导致其分散性难以提高，加大了与其它材料形成有效界面的难度，且能与氮化碳形成有效异质结的材料均不具备光电转换和电荷存储双重功能，因而所构建的异质结对改善光充电性能无明显效果；在电解质中加入电子牺牲剂，及时转移空穴，虽然有效提高了光生电荷分离，但不能满足充电电池循环使用的实际需求。因此为了改善现有技术存在的不足，有必要开发一种新型的氮化碳可光充电电极材料。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光
充电同质结电极；本专利技术的目的之二在于提供一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极的制备方法；本专利技术的目的之三在于提供基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极在光电化学电池中的应用。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]1.一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极，所述电极由下往上依次由基底层、电子传输层、同质结层组成；
[0008]所述同质结层中下层为富碳氮化碳CNx层、上层为富碳氮化碳CNy层；所述富碳氮化碳CNx层和富碳氮化碳CNy层中的x、y均为富碳氮化碳中C＝C
–
C基团和C＝N
–
C基团的相对含量比值，1.5≤x≤4，1≤y≤1.4。
[0009]优选的，所述基底层为导电玻璃FTO或导电玻璃ITO中的一种；所述电子传输层的材料为二氧化钛纳米薄膜。
[0010]优选的，所述富碳氮化碳按照如下方法制备：
[0011](1)反应体系的制备：将二腈二胺和尿素以1:1～1:3的质量比混合形成混合物，溶于水中形成混合溶液；
[0012](2)水热反应：将步骤(1)中的混合溶液进行水热反应，得到水热反应产物；
[0013](3)熟化反应：将步骤(2)中的水热产物在4～30℃的条件下保存2～12个月，得到富碳氮化碳聚合物的水溶液；
[0014](4)冻干处理：将步骤(3)中的富碳氮化碳聚合物的水溶液在
‑
80℃且小于30Pa的真空度下进行冷冻干燥处理，得到富碳氮化碳。
[0015]优选的，步骤(1)中所述混合溶液中混合物的浓度为0.033～0.067g/mL。
[0016]优选的，步骤(2)中所述水热反应的温度为200～250℃、时间为3～4h。
[0017]2.所述可光充电同质结电极的制备方法，所述方法如下：
[0018](1)将电子传输层材料烧结在基底层上形成电子传输层；
[0019](2)将富碳氮化碳CNx和水按照10000:1的质量比混合，将其在所述电子传输层上进行刮涂或旋涂，即可在电子传输层上形成富碳氮化碳CNx层；
[0020](3)将富碳氮化碳CNy和水按照10000:1的质量比混合，将其在所述富碳氮化碳CNx层上进行刮涂或旋涂，即可在富碳氮化碳CNx层上形成富碳氮化碳CNy层；
[0021](4)将步骤(3)中的产物在在25℃、湿度低于30％的环境中放置8
‑
24h，即可得到基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极。
[0022]3.所述的基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极在光电化学电池中的应用。
[0023]4.一种光电化学电池，所述光电化学电池中工作电极为所述可光充电同质结电极、对电极为载铂的导电玻璃、电解液为含有LiI的乙腈溶液。
[0024]优选的，所述电解液中LiI的浓度为0.14g/mL。
[0025]本专利技术的有益效果在于：
[0026]1、本专利技术公开了一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极，该电极由下往上依次由基底层、电子传输层、同质结层组成，具有以下优点：(1)用于构建电极同质结层的富碳氮化碳CNx和富碳氮化碳CNy具有水溶性，可以与水混合形成均匀的浆料，成膜性能高，分散性好，有助于形成有效界面；(2)富碳氮化碳CNx和富碳氮化碳CNy的分子骨
架中均包含庚嗪环和碳环，属于同分异构体，均具有光电转换和电荷存储双重功能；(3)同质结层中材料结构上的匹配性有利于形成有助于形成紧密接触的同质结，由于同质结分离光生电荷的有效性，通过同质结内部界面的内建电场分离光生电子空穴可实现电池自身的电子循环，因而无需在电解质中加入电子牺牲剂，满足可光充电技术的实际需求；(4)同质结层中材料合成过程中通过在材料合成过程中调节二腈二胺和尿素的质量比来调控富碳氮化碳分子结构中C＝C
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C和C＝N
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C的比例，从而实现产品能带结构的可控调节，通过匹配具有不同带隙、HOMO能量值和LUMO能量值的富碳氮化碳材料，可实现光充电容量在200～500C/g范围内的调节。本专利技术基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水溶性富碳氮化碳聚合物的可光充电同质结电极，其特征在于：所述电极由下往上依次由基底层、电子传输层、同质结层组成；所述同质结层中下层为富碳氮化碳CNx层、上层为富碳氮化碳CNy层；所述富碳氮化碳CNx层和富碳氮化碳CNy层中的x、y均为富碳氮化碳中C＝C
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C基团和C＝N
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C基团的相对含量比值，1.5≤x≤4，1≤y≤1.4。2.根据权利要求1所述的可光充电同质结电极，其特征在于：所述基底层为导电玻璃FTO或导电玻璃ITO中的一种；所述电子传输层的材料为二氧化钛纳米薄膜。3.根据权利要求1所述的可光充电同质结电极，其特征在于：所述富碳氮化碳按照如下方法制备：(1)反应体系的制备：将二腈二胺和尿素以1:1～1:3的质量比混合形成混合物，溶于水中形成混合溶液；(2)水热反应：将步骤(1)中的混合溶液进行水热反应，得到水热反应产物；(3)熟化反应：将步骤(2)中的水热产物在4～30℃的条件下保存2～12个月，得到富碳氮化碳聚合物的水溶液；(4)冻干处理：将步骤(3)中的富碳氮化碳聚合物的水溶液在
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80℃且小于30Pa的真空度下进行冷冻干燥处理，得到富碳氮化碳。4.根据权利要求3所述的可光充电同质结电极，其特征在于：步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐笑，王锡慧，刘婷婷，李艳虹，凌发令，荆川，谢广新，姚璐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：