王思宇
摘要:使用FeCl3-MO為模板制作了聚吡咯納米管,與KOH按一定質(zhì)量比混合,經(jīng)高溫活化后形成氮摻雜多孔碳納米帶,掃描電鏡表明聚吡咯納米管在炭化和活化后結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,管狀結(jié)構(gòu)被破壞,XRD測試表明材料為單相石墨類碳材料,XPS測試表明氮元素成功摻入碳材料結(jié)構(gòu)之中。將材料以鎳網(wǎng)為基底制作對電極應(yīng)用與CdS/CdSe量子點電池中效率達到了3.21%,證明其光電性能接近傳統(tǒng)金屬硫化物對電極。
關(guān)鍵詞 氮摻雜多孔碳納米帶 量子點電池
0引言
量子點太陽能電池是在染料敏化太陽能電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,作為第三代太陽能電池,量子點太陽能電池具有光吸收范圍可調(diào)節(jié),制備方法簡單,理論效率高等優(yōu)點,典型的量子點電池是由光陽極,電解液和對電極三部分構(gòu)成的“三明治”結(jié)構(gòu),陽極是量子點敏化的TiO2薄膜,常用的半導體量子點主要有CdS、CdSe、PbS、PbSe、InP等,量子點在吸收光子后價帶發(fā)生電子-空穴分離,電子激發(fā)進入導帶,注入到TiO2進入外電路,量子點的空穴被電解質(zhì)還原,電解質(zhì)在對電極處接受電子完成再生,形成一個完整的循環(huán)。對電極在電池中起到收集電子和催化還原電解質(zhì)的作用,目前常見的對電極材料有Pt,CuS,PbS等。但是Pt屬于貴金屬,成本較高且不穩(wěn)定,鉛及其化合物,對環(huán)境和身體健康有害,CuS的基底易受電解液腐蝕,導致性能降低。因此,碳材料由于具有良好的導電性,高電催化活性和低廉的價格進入到人們的視野,碳材料的形貌多樣,結(jié)構(gòu)豐富,可以通過摻雜,活化等方法改變其理化特性。本文使用FeCl3-MO模板自我降解法制備了氮摻雜聚吡咯納米管,并通過與KOH混合高溫活化,化學活化是制備高比表面積、高空隙率多孔炭材料最常用的方法之一,活化劑包括磷酸、氯化鋅、氫氧化鉀等。本文制備了一種三維結(jié)構(gòu)氮摻雜多孔碳納米帶,增大了材料的比表面積,形成的多孔結(jié)構(gòu)為催化還原電解質(zhì)提供了充足的電化學活性位點,將其沉積在鎳網(wǎng)表面制作的對電極應(yīng)用在CdS/CdSe量子點電池中的效率達到了3.21%,非常接近于鉛對電極。
1實驗部分
1.1制備氮摻雜多孔碳納米帶
將0.735 g甲基橙溶解于0.45L去離子水中,加入6.06 g六水合三氯化鐵,攪拌40 min,加入1.509g吡咯,攪拌聚合24 h,將材料分別使用乙醇和去離子水沖洗干凈,放入鼓風干燥箱中烘干。將烘干后的材料放入管式爐中,在氮氣保護下600℃炭化2 h,升溫速率為5℃/min。將炭化后的材料與氫氧化鉀以1:2的質(zhì)量比均勻混合,使用管式爐在氮氣保護下800℃活化2h,溫度降至室溫后取出,分別使用過量的鹽酸和水清洗至中性后放入干燥箱烘干。
1.2制作對電極和多硫電解液
瑪瑙研缽中放入0.05g制備的碳材料,加入1ml正丁醇,0.1ml鈦酸四丁酯和0.1ml曲拉通,研磨30min形成糊狀漿料,使用手術(shù)刀將碳漿刮涂在清洗干凈的鎳網(wǎng)表面,使用管式爐通氮氣400℃熱處理30min。將9.6g Na2S·9H2O,2.56g硫粉,0.29g KCL加入20ml去離子水,中速攪拌2h,即得到呈深黃色的透明電解液。
2結(jié)果與討論
2.1形貌表征
a為聚吡咯納米管的掃描電鏡圖,可以看出聚吡咯納米管的平均長度約為5 m,平均直徑約為400nm,表面較為光滑,b為樣品經(jīng)過800℃活化后的掃描電鏡圖,可以明顯看出經(jīng)炭化和活化處理后,原有的管狀結(jié)構(gòu)已全部展開,呈現(xiàn)出帶狀片層與卷曲帶狀交織在一起的三維立體結(jié)構(gòu)。
2.2 XRD測試和XPS圖譜
2.3光電性能測試
由測試數(shù)據(jù)可知,使用碳材料作為對電極的電池的短路電流密度、開路電壓和填充因子分別為14.07 mA/cm2、0.43V和53.4%,其中,短路電流密度高于硫化鉛對電極的值(13.73 mA/cm2)。從效率看,電池使用碳材料對電極的效率為3.21%,非常接近硫化鉛對電極4%的效率,盡管未能超過硫化鉛對電極,但氮摻雜多空碳納米帶材料的制作成本低,制作方法簡單,環(huán)境友好,是替代鉛作為量子點電池高性能對電極的理想材料。
3結(jié)論
使用模板自我降解法制備了聚吡咯納米管,經(jīng)炭化、KOH活化造孔制備成了氮摻雜三維結(jié)構(gòu)多孔碳納米帶,材料的多孔結(jié)構(gòu)和氮元素的摻雜為催化還原電解液提供了豐富的電化學活性位點,使碳材料的性能得到明顯改善,以鎳網(wǎng)為基底,將其制作對電極應(yīng)用于CdS/CdSe量子點電池中的光電轉(zhuǎn)換效率達到了3.21%接近與硫化鉛對電極4%的轉(zhuǎn)換效率。
基金項目:2018年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目。
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