[發明專利]一種摻氮石墨烯修飾下四硫化七銅/硫化銅復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810676585.7
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN108831748B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 李廣;張康;姚吉鑫;左學勤;楊群
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 沈尚林

本本發明公開了一種摻氮石墨烯修飾下四硫化七銅/硫化銅復合材料：該復合材料為空心的納米球結構且球的表面呈疏松多孔狀均勻分布在摻氮石墨烯上；用作染料敏化太陽能電池對電極時，該電池顯示出了優越的光電性能：同等條件下，裝備Cu₇S₄/CuS@nGO對電極材料電池的光電轉換效率達到了9.14％，分別高于Cu₇S₄/CuS的8.11％，CuS的7.01％和Cu₇S₄的6.71％以及nGO的6.05％，其中循環伏安測試曲線同樣顯示該復合材料有著優良的催化能力，可以有效地促進電解液/復合材料界面處的碘對離子的氧化還原反應。而且根據30次連續不斷地循環伏安測試曲線，相較于Cu₇S₄/CuS復合材料，Cu₇S₄/CuS@nGO材料具有更好的電化學穩定性。

技術領域

本發明涉及染料敏化太陽能電池領域并涉及其對電極材料，具體涉及一種摻氮石墨烯修飾下四硫化七銅/硫化銅復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

能源問題一直以來都是本世紀人類所面臨的重要問題之一。作為第三代太陽能電池，染料敏化太陽能電池具有制備工藝簡單、環境友好、成本低和性能優異等優點。其中對電極作為電池中重要組成部分，一方面可以收集外電路的電子促進電路循環，另一方面它也可以促進碘離子的還原從而催化離子反應。貴金屬鉑(Pt)以其出色的電化學性能一直以來都被視為對電極的最優人選。但是，一方面由于Pt的儲備不足以及昂貴的價格，另一方面Pt不穩定且在碘離子溶液體系中極易被腐蝕為碘化鉑(PtI₄)從而影響電池的效率。因此，研究儲備豐富、成本低、高性能、穩定性高的材料來替代Pt作為染料敏化太陽能電池的對電極顯得尤為重要。當今世界各國，也都在為此而不斷探索。

銅的硫化物有好多種形式，常見的有CuS、Cu₂S、Cu₇S₄和Cu₉S₅。四硫化七銅，作為銅硫化合物的一種形式，它也是最為穩定的形式。其中硫原子形成了嚴格的立方晶格，對于電池中的離子反應該晶格為反應中的離子提供了有效的晶體通道從而加快了反應的速率。因其獨特的結構和優秀的保留功能被應用在能源轉換和能量儲存領域。

硫化銅是一種典型的p型過渡金屬硫化物，因其較窄的帯隙它具有優良的光、電及物理化學性能。而且銅和硫無毒且來源充足，因此被廣泛應用到催化領域。例如在染料敏化太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器、光催化等領域都有著廣泛的應用。其中硫化銅被用作染料敏化太陽能電池對電極材料時面臨不少的問題：一方面硫化銅作為電極材料時，導電性相對較低，電池容量衰減較快，這嚴重制約了電池的光電轉換效率。另一方面，硫化銅晶體形成過程中極易團聚，影響活性位點與電解液的有效接觸。而且單純硫化銅作為對電極時，光生電子和空穴的復合速率較快、量子效率比較低，這也制約了電池內部反應速率。

硫化銅是一種典型的p型過渡金屬硫化物，因其較窄的帯隙它具有優良的光、電及物理化學性能。而且銅和硫無毒且來源充足，因此被廣泛應用到催化領域。例如在染料敏化太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器、光催化等領域都有著廣泛的應用。其中硫化銅被用作染料敏化太陽能電池對電極材料時面臨不少的問題：一方面硫化銅作為電極材料時，導電性相對較低，電池容量衰減較快，這嚴重制約了電池的光電轉換效率。另一方面，硫化銅晶體形成過程中極易團聚，影響活性位點與電解液的有效接觸。而且單純硫化銅作為對電極時，光生電子和空穴的復合速率較快、量子效率比較低，這也制約了電池內部反應速率。

石墨烯因為其比較大的比表面積和相對突出的化學穩定性引起了學術界的爭相研究。但其仍存在一些不足，突出表現在它有著許多含氧缺陷和結構缺陷，而這些東西的存在限制了石墨烯的電化學導電性從而降低電池光電效率的短路電流。然而，摻氮石墨烯不僅包含了石墨烯本身具有的優良品質，還大大修復了上述的不足。