[发明专利]一种二硫化钛纳米片/石墨烯复合材料对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二硫化钛纳米片/石墨烯复合材料对电极及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

传统化石能源的使用致使环境污染日趋严重，寻求和开发新型、高效、可再生能源势在必行，并成为一个重大的挑战性研究课题。与其它可再生能源相比，太阳能具有储量丰富、环境友好、可持续利用，及不受地域限制等优点，受到了国内外研究者的青睐。太阳能电池是一种有效实现太阳能向电能转换的工具。作为新型薄膜太阳能电池中的一员，染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)由于封装工艺简单、成本低、稳定性好以及光电转换效率高(AM 1.5G模拟太阳光下，转换效率已达13.0％，Nature.Chem.,2014,6,242-247)等优点，使其大规模商业化应用价值日益凸显。

DSSCs由吸附有染料的TiO₂光阳极、I^-/I₃^-氧化还原电对和对电极三部分组成。作为DSSCs的重要组成部分，对电极的主要作用是收集来自外电路的电子，并将其传输给电解质，催化I₃^-的还原。传统的对电极材料主要是贵金属铂(Pt)，但Pt的资源有限，且易受I^-/I₃^-电解质溶液腐蚀，从而增加了DSSCs的成本，降低了DSSCs的稳定性，限制了DSSCs的广泛应用。有鉴于此，开发廉价、高催化活性、高稳定性的对电极材料成为科研工作者广泛关注的重要研究课题之一。碳材料由于具有价格低、环境友好、比表面积大和稳定性好等特点，在Pt的替代方面有极大的前景。迄今为止，各种碳材料，如富勒烯(Carbon 2006,44,880)、导电炭黑(Electrochim.Acta 2012,83,264；J.Electrochem.Soc.2006,153,A2255)、介孔碳(CN102568849A)、碳纳米管(CN101740237A；CN103021663A)、碳纤维(CN102832049A)等被用来作为DSSCs的对电极。然而这些碳材料与电解质接触界面上的电荷传输电阻较大，对I₃^-的催化活性仍然无法与商业化的贵金属Pt对电极媲美，从而开发廉价的、具有快速电子输运功能和高催化活性的对电极材料十分必要。

高催化活性的二维过渡金属硫化物对电极的开发与设计，对提高DSSCs的性能具有重要意义。二硫族过渡金属硫化物MS₂(M＝Mo、W、Ti、Sn等)具有类似于石墨的层状结构，层与层之间的弱物理作用可以通过外界因素来克服，因此，可以制备单层或少层的二维硫化物纳米片。此类硫化物纳米片具有丰富的边缘位、高比表面积和高稳定性，可以为I₃^-的还原提供丰富的活性位点，是一种很有潜力的DSSCs对电极材料。专利CN102522212A公布了一种MoS₂和WS₂对电极及其制备方法，两种材料价格低廉，并对I₃^-的还原均表现出良好的催化活性。然而二维硫化物材料为宽带系半导体，需要与导电材料复合来改善其导电性。石墨烯是一种由碳原子堆积而成的单层或少层、二维蜂窝状新型薄膜材料。研究表明，石墨烯具有高导电性、高比表面积和极好的透光率，因而在电催化、电子器件、传感器等应用中具有巨大潜力。专利CN103903861A公布了一种MoS₂、WS₂或SnS₂和石墨烯的复合物电极，他们采用叔丁基锂剥离制得了少层硫化物和石墨烯，两者混合制得复合物，该硫化物/石墨烯复合物作为DSSCs对电极材料展现了优于单一组分硫化物的性能。不过，开发简单、有效的技术方法，制备活性组分分散均匀、催化活性高、电子输运速率快的二维硫化物纳米片/石墨烯复合物对电极材料仍是DSSCs应用中亟需解决的关键问题之一。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种二硫化钛纳米片/石墨烯复合材料对电极及其制备方法，该制备方法工艺简单、操作安全、成本低廉，制备所得的对电极催化活性高、稳定性好，可以促进高性能DSSCs的商业化应用。