[发明专利]一种石墨烯/铁镍硫代尖晶石复合催化剂及其制备方法和制备染料敏化太阳能电池的方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/铁镍硫代尖晶石复合催化剂，包括用作基底的石墨烯氧化物，以及在石墨烯上原位生长、且为尖晶石结构的铁镍硫化物；所述铁镍硫化物中的铁、镍、硫的原子比例依次为x:(3‑x):4，0<x<3。本发明还提供了该种复合催化剂的制备方法及其制备染料敏化太阳能电池对电极的方法。本发明设计巧妙、制备工艺简单，很好地解决了非铂体系催化剂催化效率低、铂催化剂成本高的问题，并且可以很好地满足工业化生产的需要，因此，本发明发展前景广阔，非常适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及的是一种石墨烯/铁镍硫代尖晶石(FexNi3-xS4)复合催化剂及其制备方法和制备染料敏化太阳能电池的方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Soalr cell，简称DSC)是一种基于纳米结构的新型低成本光化学电池。从上世纪90年代引入纳米材料开始，DSC凭借其成本低廉、制备工艺简单、光电转化效率高、潜在的市场应用广阔等众多优点，在各国掀起了研究热潮。

对电极是DSC的重要组成部分，其功能主要是收集从外电路流入的电子，并传递给电解质里面的氧化产物或者空穴，以完成电解质的再生过程。因此，对电极的结构特性及其表面发生还原反应的速率，极大地影响着电池的性能和效率。为了减少对电极界面的能量损失，性能优良的对电极必须具有高催化活性、高比表面积、低面电阻、良好的电导率以及长期稳定的特性。

目前，对电极通常采用化学稳定性和催化活性很高的铂作为催化剂，以实现电解质和电极界面上的电荷转移。然而，铂作为催化剂也存在以下缺点：

1、作为一种贵金属元素，资源稀缺，价格昂贵；

2、DSC用铂对电极的制备工艺存在一定的缺陷，例如：(1)热解法要求基板能够承受375℃以上的高温烧结，不适合透明聚合物导电基板，而且制备的铂对电极个性差异稍大；(2)溅射法要求靶材纯度高，溅射真空度低，不适合大面积对电极的制备；(3)电沉积法使用铂原料较多，且电极电荷交换电阻较大；

3、铂对电极对不同体系电解质展示出的催化活性差别较大，适合于碘体系电解质，而对多硫体系电解质催化活性较差；

4、铂对电极稳定性较差，易被电解液中的I3-/I-腐蚀而发生钝化，失去催化活性。

基于以上原因，为了降低DSC成本和提高其稳定性，开发高效、低成本、制备工艺简单可行且耐腐蚀的非铂体系催化剂材料迫在眉睫。

目前，对非铂体系催化剂的研究主要集中于以下几个方面：

(1)碳材料，一方面，碳材料凭借其超大的比表面积、低廉的原材料成本、高催化活性和导电性，成为取代铂催化剂的首选；另一方面，碳的同素异形体种类众多，包括金刚石、石墨、炭黑、活性炭、碳纤维、导电碳、石墨烯、碳纳米管和富勒烯等，而且其性能各异，为我们提供了广泛的选择。

(2)过渡金属化合物，主要是氮化物、碳化物、氧化物、硫化物和磷化物等，其催化活性受材料种类和微观结构影响较大。对于同一种材料而言，小粒径大比表面积的材料具有较高的催化性能。

(3)复合材料催化剂，即多种催化剂材料按照一定比例混合，以提高催化活性，降低生产成本。

尽管已经对非铂体系催化剂合成和应用进行了较为广泛的研究，某些催化剂的性能也接近或达到传统的Pt催化剂效果，但是，目前非铂体系催化剂的开发仍然面临催化效率较低、成本偏高、制备工艺复杂、稳定性尚待验证等问题，限制了新型催化剂的大规模制备和应用。

发明内容