[發明專利]單原子Pt對電極及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910161919.1
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109887754B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 史彥濤;李燕茜
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院;北京賽知科技有限公司
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20
• 代理公司: 北京知匯林知識產權代理事務所(普通合伙) 11794
• 代理人: 董濤

本申請公開了一種單原子Pt對電極及其制備方法和應用，該對電極的原料包括導電碳材料和單原子Pt催化劑，將單原子Pt催化劑與導電碳材料混合，加入一定量的有機溶劑后球磨形成分散漿料；將上述分散漿料噴涂在潔凈的導電基底上，經過加熱后即得所述對電極。本發明的單原子Pt對電極可以大幅減少Pt的用量，從而使得對電極成本大幅降低，有利于推動DSCs的產業化。

技術領域

本申請涉及新材料與新能源器件領域，具體而言，涉及一種單原子Pt 對電極及其制備方法和應用

背景技術

染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cells，簡稱DSCs)是一種具有代表性第三代光伏技術，也是目前已知的唯一使用液態電解液的太陽能電池。DSCs通常由光陽極、染料、電解質以及對電極組成。DSCs電解質中的有效成分為氧化還原電對，起著電荷轉移的作用，其中，最常用的電對為碘電對，其構成為碘離子/碘三離子(I—/I3—)。碘電對將電子轉移給激發態的染料分子以后，碘離子變為碘三離子。作為完成電荷轉移最重要的一個環節，碘三離子需要在DSCs對電極進行還原，該反應俗稱為碘還原反應。碘還原反應影響碘電對的再生過程，并進一步影響DSCs器件光電轉換效率。因此，對電極電催化活性的高低將直接決定碘還原反應的進度。當前，常用的對電極材料為貴金屬鉑(Pt)。傳統的Pt對電極是指在導電基底上通過真空蒸鍍、電鍍或者化學熱鍍的方法沉積上一層Pt薄膜，厚度約為30nm～50nm。這種對電極消耗的Pt 量巨大，尤其是采用真空蒸鍍制備時，還有造成很大的浪費。Pt為貴金屬，其儲藏量十分有限，以當前的方式制備Pt對電極勢必會造成DSCs成本的提高，不利于今后的大規模生產和應用。因此，降低Pt使用量并保持其較高的催化活性是本領域亟待解決的問題。

減小催化劑顆粒尺寸、提高其比表面積是減低貴金屬Pt使用量的一個重要手段。制備小尺寸Pt納米顆粒，并以此為基礎制備DSCs對電極早已有報道，例如制備Pt納米粒子并將其負載在導電載體上。但是，越來越多的研究表明，當Pt的粒子尺寸降低到一定程度后，其穩定性會大幅下降。例如，當把Pt粒子尺寸降低到納米甚至是亞納米尺寸時，金屬表面自由能顯著增大，容易形成聚集體并減低催化活性。另外，將Pt制備成納米粒子后并不能明顯降低Pt的使用量，因為制備的對電極依然需要較多質量的Pt。單原子催化劑是指將單個金屬原子通過化學鍵合的方式固定在載體上，以此可以實現100％的金屬原子利用率，可以預見，使用單原子催化劑能夠最大幅度降低貴金屬用量并降低器件制造成本。

因此，根據目前DSCs對電極在提高Pt原子利用率方面存在的問題，一方面，考慮將Pt制備成單原子，以此最大幅度提高其原子利用率；另一方面，也應該考慮尋找合適的載體材料能夠牢固固定單個的Pt原子，使其在工作狀態下不發生團聚現象，確保其長期穩定性。因此，開發高活性、高穩定性的Pt單原子催化劑對于降低DSCs生產成本具有極其重要的現實意義。

發明內容

本發明提供了一種單原子Pt對電極，該對電極的原料包括導電碳材料和單原子Pt催化劑，單原子Pt催化劑以過渡金屬化合物為單原子Pt的載體，通過化學鍵合的方式將單原子牢牢固定，以防止其團聚；導電碳材料的作用是增加對電極的導電性，從而有利于電荷的傳輸。

具體的，單原子Pt催化劑采用共沉淀法或化學吸附法制備而成；

在制備對電極之前，將單原子Pt催化劑先進行氫氣還原；

過渡金屬化合物為過渡金屬元素的氧化物、硫化物或碲化物；

導電碳材料為活性炭或超細鱗片石墨；

對電極原料中單原子Pt催化劑的質量百分比30％-50％。

優選的，單原子催化劑中Pt質量百分比含量為1.7％-2.32％；