[發(fā)明專利]一種石墨烯摻雜的具有電纜式結(jié)構(gòu)的TiN/C納米纖維及其制備方法與應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2016-08-26
• 公開（公告）號: CN106319762B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何建新;周夢娟;王利丹;梅碩;李克兢;趙樹元;王倩;馮金桃;崔世忠
• 申請（專利權(quán)）人: 中原工學(xué)院
• 主分類號: D04H1/4382
• 分類號: D04H1/4382;D04H1/728;D01D5/34;D01D5/00;D06C7/04;H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司41125
• 代理人: 張紹琳,張真真

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，涉及一種石墨烯摻雜的具有電纜式結(jié)構(gòu)的TiN/C納米纖維電極材料及其制備方法。具體涉及一種可應(yīng)用于染料敏化太陽能電池對電極的制備方法。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，能源短缺問題越來越突出。太陽能作為一種取之不盡的可再生新能源，具有其他類型能源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，對太陽能的開發(fā)和利用引起了人們的越來越多的重視。作為一種新型的太陽能電池，染料敏化太陽能電池 (DSSC) 由于其潛在的低成本和可觀的光電轉(zhuǎn)化效率 (高于10%) 受到了廣泛的關(guān)注。

染料敏化太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)包括光陽極、染料分子、電解質(zhì)、對電極等部分。對電極是染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵組成部分之一。染料敏化太陽能電池的工作過程是一個(gè)不斷發(fā)生光電化學(xué)反應(yīng)的過程。其化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在兩個(gè)區(qū)域：一是在光陽極與電解液的表面，此處電解液中的還原物種將電子交給失去了電子的染料分子使其變成可再激發(fā)的中性染料分子，而對應(yīng)的還原物種將轉(zhuǎn)變成氧化物種；另一個(gè)是發(fā)生在對電極與電解液的接觸界面，此處對電極的電子轉(zhuǎn)移給電解液中的氧化物種使其轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原物種。電化學(xué)反應(yīng)速率與電催化劑密切相關(guān)，所以對電極上的電催化劑對電池效率的提高起著關(guān)鍵作用。

一般來說，對電極材料需要具備以下幾個(gè)條件：① 良好的穩(wěn)定性，不與電解質(zhì)中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；② 良好的導(dǎo)電性；③ 對電解質(zhì)具有較好的催化能力。目前染料敏化太陽能電池對電極最常用的催化劑為鉑，其它常用的非祐催化材料有碳素材料、導(dǎo)電聚合物和過渡金屬的碳化物、硫化物及氮化物等。盡管Pt電極的優(yōu)點(diǎn)很多，性能很優(yōu)異，但是鉑電極的價(jià)格過于昂貴，幾乎占到了整個(gè)電池成本的 60%。而對于一維無機(jī)納米半導(dǎo)體材料，由于電子通過無序的納米顆粒進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)容易在界面和空間被俘獲而損失，進(jìn)而導(dǎo)致電子的收集和轉(zhuǎn)換效率降低。因此發(fā)展新型廉價(jià)高效的對電極材料成為了研究、發(fā)展染料敏化太陽能電池的熱點(diǎn)話題。

氮化鈦（TiN）結(jié)構(gòu)是由離子鍵、金屬鍵和共價(jià)鍵混合結(jié)合而成的，其中氮的p軌道能級低于費(fèi)米能級，這將導(dǎo)致自由電子的運(yùn)動(dòng)有些類似于在金屬的d軌道上的運(yùn)動(dòng)。這樣的電子結(jié)構(gòu)不僅會(huì)使氮化鈦具有良好的導(dǎo)電性（電阻率在10^-5Ω?cm左右），也會(huì)導(dǎo)致氮化鈦薄膜的光學(xué)性能與金、銀等貴金屬薄膜相類似，膜較薄時(shí)，在可見光區(qū)半透明及紅外區(qū)高反射。因此，近些年人們開始關(guān)注氮化鈦薄膜光學(xué)性能的研究。對于TiN薄膜電學(xué)性能的研究也日益增多，研究者們開始研究TiN薄膜制備技術(shù)中各工藝參數(shù)對薄膜導(dǎo)電性能的影響，以制備出電阻率低的TiN薄膜。因此將TiN材料應(yīng)用于染料敏化太陽能電池對電極，將大幅度減小電池的電阻，從而提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明利用同軸靜電紡絲技術(shù)和炭化工藝相結(jié)合，制備了銅納米絲和氮化鈦復(fù)合的具有電纜式結(jié)構(gòu)的納米纖維材料，應(yīng)用于染料敏化太陽能電池對電極，該材料使兩者的優(yōu)點(diǎn)得到很好的結(jié)合，從而有效的地提高了對電極的性能，是作為染料敏化太陽能電池對電極的有效材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為染料敏化太陽能電池提供一種石墨烯摻雜的具有電纜式結(jié)構(gòu)的TiN/C納米纖維對電極材料及其制備方法。通過以聚丙烯腈、TiO₂納米粒子和氧化石墨烯共混溶液作為皮層溶液，利用聚甲基丙烯酸甲酯和醋酸銅為芯層溶液，經(jīng)靜電紡絲和高溫炭化得到具有電纜式結(jié)構(gòu)的TiN/C納米纖維。該纖維材料呈現(xiàn)以銅為芯層的電纜式結(jié)構(gòu)，并且皮層摻雜石墨烯能夠顯著降低對電極的阻抗，這有利于電子的傳輸，同時(shí)TiN納米晶能為電解對的氧化還原反應(yīng)提供更多的活性催化位點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種石墨烯摻雜的具有電纜式結(jié)構(gòu)的TiN/C納米纖維，它具有皮層和芯層的電纜式結(jié)構(gòu)，所述皮層由TiN納米晶、石墨烯和碳基質(zhì)構(gòu)成，所述芯層為銅納米絲，所述石墨烯摻雜的TiN/C納米纖維的直徑為100～500nm，孔隙率為0.1～0.8 cm³/g。

所述銅納米絲的直徑為10～100nm。

所述TiN納米晶的尺寸為10～70nm，屬于立方體結(jié)構(gòu)。

所述的石墨烯摻雜的具有電纜式結(jié)構(gòu)的TiN/C納米纖維的制備方法，它的步驟如下：

（1）將TiO₂和氧化石墨烯溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，在超聲攪拌條件下分散均勻，然后加入聚丙烯腈，在溫度為50～80℃的條件下強(qiáng)力攪拌3～8h，得到得到作為皮層溶液的TiO₂前驅(qū)液；