[发明专利]一种碳纳米管阵列光阴极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池的制造，特别是一种应用于染料敏化型太阳能电池中的碳纳米管阵列光阴极材料及其制备方法和应用。

背景技术

自1991年瑞士教授在染料敏化太阳能电池(DSSC)研究方面取得突破以来(0’Regan，B.，Nature 1991，353，737.)，该类电池由于具有高效、低成本、低能耗、环境友好等优点，显示出强大的商业应用前景，逐渐成为世界各国研究的热点。为此，国内外在对DSSC的光阴阳极、电解质，生产工艺以及电池结构等方面均进行了不断的探索。其中，作为DSSC重要组成部分的光阴极起着催化还原I₃^-和电子转移的作用，其电催化性能对整个DSSC的光电转换性能有着重要的影响。目前，贵金属Pt由于对I₃^-的还原具有优越的催化性能而成为主要的光阴极催化材料，但Pt金属资源匮乏，不利于电池成本降低及大面积推广应用。因此，发展基于非贵金属的催化剂就成为当前光阴极研究的热点。近年来，以碳黑、活性碳、碳球以及乙炔黑等传统碳材料作为光阴极催化材料已有文献报道(Papageorgiou，N.，Coord.Chem.Rev.2004，248，1421.和Huang，Z.，et al.Electrochem.Comm.2007，9，596.)，获得了一些进展。但依然存在难以形成快速有效的电子传输通道，与基底界面结合力差，易引起剥落等问题，导致光阴极内阻大，电荷转移速度低，严重影响了DSSC的光电转换性能。因此，引入高导电性、具有良好催化活性的新型碳材料更具有实际应用价值。

碳纳米管(CNTs)由于其独特的电子传导特性、表面微结构、中空结构以及巨大的比表面积和高化学稳定性，已被广泛应用于催化剂载体、电化学修饰电极。而作为DSSC光阴极催化材料，Suzuki等人首先报道了将单壁碳纳米管(SWCNT)经旋涂方法直接在FTO导电玻璃上制得SWCNT光阴极用于DSSC中，测试结果表明由于SWCNT高的比表面积，表现出对还原I₃^-高的电化学活性，获得4.5％的光电转换效率(Suzuki K.，et al.Chem.Lett.2003，32，28.)。但关于在金属基片上生长碳纳米管阵列膜作为光阴极的制备及电催化性能的研究以及在DSSC中的应用在国内外还鲜见报道。采用化学气相沉积的方法在耐腐蚀金属基底上得到碳纳米管阵列，用作DSSC光阴极，碳纳米管阵列由于具有高度轴向导电性的特点保证了从集流体中导入的电子能够快速传输到固/液反应界面处；由于碳纳米管高的比表面积，有效地增进了电极与电解质间的接触，有利于提高其电催化活性；另外，以金属片为基底，可以改善以导电玻璃为基底的导电性能，减小电池内阻，降低成本。因此，探索碳纳米管阵列光阴极的制备方法，并对其电催化性能进行研究对于提高染料敏化太阳能电池的综合性能以及降低电池的成本具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题和技术分析，提供一种碳纳米管阵列光阴极材料及其制备方法和应用，该碳纳米管阵列结构，具有较大的比表面积和较多反应活性点，增大了电解质与电极间的电荷转移，结合导电性好的金属基底，减小电池内阻，提高了电催化性能；以该碳纳米管阵列为光阴极，染料敏化纳米二氧化钛膜为光阳极，以I^-/I₃^-为电解质构成的染料敏化太阳能电池，具有较高的光电转换效率。

本发明的技术方案：

一种碳纳米管阵列光阴极材料，其特征在于：以耐腐蚀的金属片为基底，在该基底表面制备有碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列竖直于基底，直径为(10-30)nm，长度为(1-3)μm。

所述耐腐蚀的金属片为不锈钢片、钛片或镍片。

一种所述碳纳米管阵列光阴极材料的制备方法，步骤如下：

1)利用磁控溅射或等离子体薄膜沉积的方法在耐腐蚀的金属片基底上镀上一层催化剂薄膜；

2)通入氢气与氩气或氮气的混合气体，对镀了催化剂的基底在500-700℃下进行还原，流速为100-150ml/min，氢气与氩气或氮气的体积比为1∶2；

3)将氩气的流速降为50ml/min，，在500-700℃条件下，将乙烯气体在5MPa压力下以50ml/min的流量导入管式反应器中，5min后停止导入乙烯气体，在氩气的氛围下将反应器冷却至室温后制得碳纳米管阵列产物；