[发明专利]一种氮硫共掺杂三维多孔碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮硫共掺杂三维多孔碳的制备方法，包括以下步骤：首先，将一定比例的蛋氨酸、碳酸钠、硫脲粉末混合均匀研磨，然后取适量混合物转移至瓷舟中放入管式炉内进行高温热解，随后将所得热解产物先用氯化钠溶液洗涤，再用去离子水洗涤，接着用行星球磨机进行充分研磨，最后真空干燥即得氮硫共掺杂三维多孔碳材料。将上述材料用于制备染料敏化太阳能电池的对电极，得到的DSSCs光电转化效率提升的同时，也显著改善了电池的热稳定性。本发明提供的方法简单、成本较低，一步热解法即可制得，制备得到的DSSCs的性能优良，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池(DSSCs)对电极制备技术领域，具体涉及一种氮硫共掺杂三维多孔碳材料的制备方法及其应用。

背景技术

能源和环境已是当今人们面临的重大挑战，由于石油、煤炭、天然气等化石能源资源有限，并且它们的使用引发了日益严重的能源危机和温室效应问题，因此发展可再生新能源势在必行。其中太阳能以资源丰富、开发潜力独特等优势成为研究者的研究重点，据估计，太阳每秒可向地球输送辐射能量8×10¹³kW，相当于1.892×10¹⁶t煤的燃烧热，因此合理开放和利用太阳能对于当今的能源问题具有重大意义。利用光伏技术将可再生和清洁的太阳能转化为电能，是解决上述问题的有效途径之一。

相对于工艺复杂的硅基太阳能电池和原料受限的薄膜太阳能电池，第3代太阳能电池中的染料敏化太阳能电池有着组装工艺简单、无污染、成本低和性能优异稳定的特点，受到了广泛关注。染料敏化太阳能电池主要有以下几个部分组成：光阳极、电解质和对电极，构成一种类似三明治夹层结构。其中，对电极通常由催化材料和导电基底构成，导电衬底的主要作用是收集来自外电路的电子；催化层材料的主要作用是为电解液中的氧化还原电子对提供催化活性位点，促进氧化还原电解对的循环再生，进而促进光阳极中染料分子的循环再生。一般来说，作为对电极材料需要具备以下三个条件：①具有良好的化学稳定性，不与电解质中的氧化还原物质发生化学反应；②具备优异的导电性能，有利于电子的快速传输；③对电解质具有较好的催化还原能力。铂对电极由于其电阻小和催化效果好，在导电玻璃上镀一层铂，能够较好解决上述问题。但是铂的价格昂贵、比表面积小，不利于产业化应用，因此寻找廉价的、性能优异的对电极材料，便成为迫切需要解决的问题。

碳材料低廉的成本，优异的导电性，大的比表面积等优势，在染料敏化太阳能电池对电极应用方面展现出巨大的潜力，成为了一种继铂电极之后在世界上广泛应用的对电极材料。其中多孔碳不仅具有碳材料化学稳定高、导电性好等优点，由于多孔结构的引入，还具有比表面积高，优异吸附性、机械稳定和自支撑的结构。与其他传统多孔碳材料相比，氮硫共掺杂三维多孔碳不仅继承了多孔碳的一些卓越性能，而且氮硫的协同作用为材料引入更多的缺陷位，提高材料的导电性。目前尚未报道简单方便的将蛋氨酸、碳酸钠、硫脲三者用一步热解法合成氮硫共掺杂三维多孔碳材料用于染料敏化太阳能电池对电极的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种新型的氮硫共掺杂三维多孔碳材料的制备方法，另一目的是将得到的氮硫共掺杂三维多孔碳材料在制备染料敏化太阳能电池对电极中的应用。该太阳能电池对电极取代了染料敏化太阳能电池的铂电极，并且该电极有生产成本低，制备方法简单、比表面积大、光电转换效率高等特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氮硫共掺杂三维多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)混合研磨：将一定量的蛋氨酸、碳酸钠和硫脲粉末混合均匀后，进行研磨，得混合粉末；

(2)热解：将步骤(1)中所得混合粉末进行高温热解，得热解产物；

(3)后处理：将步骤(2)中所得热解产物放入离心机内进行洗涤，接着球磨，最后进行干燥处理，即得氮硫共掺杂三维多孔碳材料。