[發明專利]一種開口空心碳球的制備方法及其在染料敏化太陽能電池中的應用

有效

• 申請號: 201410092399.0
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103896248A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 武明星;吝亞南;郭紅月
• 申請（專利權）人: 河北師范大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;H01G9/20
• 代理公司: 石家莊新世紀專利商標事務所有限公司 13100
• 代理人: 董金國

技術領域

本發明涉及一種開口空心碳球的制備方法，及其在染料敏化太陽能電池中的應用，屬于新材料和新能源技術領域。

背景技術

在眾多碳材料中，球形碳在學術和工業方面受到了廣泛關注。與其它球形碳材料相比，空心碳球具有結構特殊、比表面積大、比重小、耐高溫、耐酸堿、導電、導熱和豐富的納米尺度空隙等優點。因此，它在吸附、儲能、催化劑、催化劑載體、電極材料等領域具有廣泛的應用前景。近年來，越來越多的方法被用到空心碳球的合成當中，有效地促進了空心碳球朝著可控、經濟、簡易的方向發展。合成方法主要有：化學氣相沉積法、金屬還原法、沖擊壓縮法、水熱合成法和模板法等。其中，模板法制備空心碳球被認為是較成熟的合成方法。所謂模板法制備空心碳球，就是將易于合成和控制的物質作為模板，通過物理或化學的方法將碳源沉積到模板上，形成核殼結構，碳化，去除模板，得到形貌和粒徑可控的空心碳球。模板法根據其模板材料的不同可分為硬模板法和軟模板法。然而,到目前為止，模板法制備的空心碳球外表面都是完整的，由于碳球是封閉的，這種碳球的內部不能有效起到相應的作用，如果在碳球表面打開個開口，碳球內部表面也能得到有效利用。與完整的空心碳球相比，開口空心碳球更具優點。例如，在相同體積下，開口的空心碳球具有更大的比表面積。在應用方面，這種空心開口結構有利于液體電解液，藥物分子等液態材料的進入，因此，這種表面開口的空心碳球比完整的空心碳球更適合用作催化劑或者藥物載體材料。然而，現有技術中關于制備開口空心碳球的方法鮮有報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種開口空心碳球的制備方法。

本發明的目的還在于提供一種開口空心碳球在染料敏化太陽能電池中的應用。

本發明提供的一種制備開口空心碳球的方法，不同于以往報道的封閉空心碳球，其表面具有開口。其次，將這種開口空心碳球成功制備成電極，用于染料敏化太陽能電池來代替昂貴的鉑（Pt）電極并取得理想的效果。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：采用殘碳率較低的聚合物微球為模板，通過水熱法在其表面包覆碳源，然后通過碳化并去除模板得到開口空心碳球。在模板氣化分解過程中，由于碳球內部壓力變大，當達到其承受極限時，模板氣化分解所產生的氣體會破殼而出，從而在碳球表面留下一個開口。利用開口空心碳球制備電極，組裝染料敏化太陽能電池。

具體的，本發明的一種制備開口空心碳球的方法，包括以下步驟：

（1）將100~700?μL聚合物單體和6~40?μL油酸溶解在10~50?ml的去離子水中，在10~50℃下攪拌，然后加入5~30mg過硫酸鉀，進一步加熱到70~90?℃，反應2~10小時，分離和干燥得到模板聚合物微球A；

（2）將聚合物微球A分散到去離子水中，加入溶有碳源的溶液中攪拌，

然后把溶液轉移到高壓釜中水熱聚合，反應結束后，高速離心分離，洗滌、干燥后得到復合物微球(A@B)；

（3）在N₂環境下，將步驟（2）得到的復合物微球(A@B)以1~20℃/分鐘

的速率加熱到1000?℃，保持2小時，自然降溫，得到開口空心碳球。

步驟（1）中，所用的模板單體為苯乙烯或苯丙烯。

步驟（2）中，所用的碳源為葡萄糖、酚醛樹脂、聚丙烯腈中的一種。

步驟（3）中，生成開口空心碳球的煅燒溫度不低于800?℃。

本發明所制備的開口空心碳球作為對電極在染料敏化太陽能電池中的應用，包括以下步驟：

（1）將開口空心碳球分散到溶劑異丙醇中，超聲分散5~60?min，制備成質量分數為（0.1~10）%的漿料；

（2）將漿料均勻地涂覆在導電襯底上，N₂氣氛下，80~800?℃燒結5~60?

min，得到空心碳球電極；

（3）以開口空心碳球為對電極,與光陽極和電解液組裝染料敏化太陽能電池，并進行能量轉換效率測試。測試結果證明這種開口空心碳球作為對電極在染料敏化太陽能電池中，能有效催化氧化還原電對的還原再生。

步驟（1）中，涉及的溶劑為水，乙醇，異丙醇，乙酸乙酯等毒性較小的溶劑。

步驟（2）中，所涉及的涂覆方法為噴涂，印刷或者掛涂法。所涉及的導電襯底為金屬，導電玻璃或者高分子導電聚合物。