碳球和碳化钼球的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：作为染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells,DSCs)重要的组成部分,对电极既起到催化剂的作用,也为氧化还原电对再生反应提供场所。虽然,传统的铂(Pt)对电极是很好的催化材料,但是自身存在不足。它成本昂贵、储量有限,并且易被电解液腐蚀。从长远看,这些不足限制Pt在DSCs中的应用。本文主要开发球形催化材料,包括球形碳和球形碳化钼,并对其进行形貌表征、性能测试,具体内容如下:采用水热法成功合成实心碳球(SCS)、空心碳球(HCS)和开口空心碳球(OCS),并将其作为对电极催化材料分别应用到以I3-/I-和T2/T-为氧化还原电对的DSCs中。形貌表征结果显示,SCS和HCS呈现漂亮的球形结构,OCS呈现了开口的球形结构。性能测试结果表明,无论在传统的I3-/I-电解液还是新型的T2/T-电解液里,三种碳球具有出色的催化性能,其中OCS表现最佳,这主要得益于OCS表面的开口,可以使电解液很好地渗透到碳球的内部,使碳球内表面得到充分利用。开口空心碳球不仅可以在DSCs中应用,而且对于药物传递、纳米器件和吸附等领域也具有重要意义。同样采用水热法成功合成碳化钼球(Mo2C-MSs),并将其作为对电极材料应用到DSCs中。分别进行表征、测试和分析,无论在传统的I3-/I-电解液还是新型的T2/T-电解液里,Mo2C-MSs表现出不俗的催化活性。在I3-/I-电解液中的电池效率达到7.28%,在新型T2/T-电解液中,Mo2C-DSCs获得5.47%的电池效率,超过Pt-DSCs的3.91%。实验结果表明,Mo2C-MSs不仅适用于I3-/I-体系,而且也适用于T2/T-体系。综上所述,本文的球形碳和球形碳化钼可以在一定程度上扩展DSCs对电极的取材空间,降低DSCs的成本,这将促进DSCs的产业化进程。 【关键词】：对电极 催化 碳球 碳化钼球 新型电解液
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O611.4;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-28
• 1.1 引言9-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池10-11
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的发展10
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的组成部分及原理10-11
• 1.3 染料敏化太阳能电池对电极材料11-27
• 1.3.1 Pt对电极11-14
• 1.3.2 非Pt金属材料14-15
• 1.3.3 碳材料15-18
• 1.3.4 聚合物18-20
• 1.3.5 无机化合物20-27
• 1.3.5.1 碳化物20-22
• 1.3.5.2 氮化物22-24
• 1.3.5.3 氧化物24-25
• 1.3.5.4 硫化物25-26
• 1.3.5.5 磷化物26
• 1.3.5.6 硒化物26
• 1.3.5.7 碲化物26-27
• 1.3.5.8 硅化物27
• 1.4 选题意义27-28
• 第2章 实验材料、设备及主要的测试方法28-32
• 2.1 实验试剂和原料28-29
• 2.2 实验仪器和设备29
• 2.3 实验表征方法和测试手段29-32
• 2.3.1 扫描电镜29-30
• 2.3.2 透射电镜30
• 2.3.3 X-射线衍射30
• 2.3.4 傅氏转换红外线光谱分析30
• 2.3.5 热重分析30
• 2.3.6 循环伏安30-31
• 2.3.7 电化学阻抗31
• 2.3.8 塔菲尔极化曲线31
• 2.3.9 电流-电压曲线31-32
• 第3章 碳球的合成及应用研究32-45
• 3.1 引言32
• 3.2 实验部分32-34
• 3.2.1 实心碳球、空心碳球和开口空心碳球的合成32-33
• 3.2.2 电极的制备与电池的组装33-34
• 3.3 结果和讨论34-44
• 3.3.1 SCS、OCS和HCS的合成与表征34-38
• 3.3.1.1 碳球的合成机理34-35
• 3.3.1.2 形貌及内部结构分析35-36
• 3.3.1.3 红外光谱分析36-37
• 3.3.1.4 热重量分析37
• 3.3.1.5 XRD分析37-38
• 3.3.2 SCS、OCS和HCS在以I3-/I-为电对的DSCs中的应用38-40
• 3.3.3 SCS、OCS和HCS在以T2/T-为电对的DSCs中的应用40-41
• 3.3.4 SCS、OCS和HCS对T2/T-电对催化机理研究41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 Mo2C球的合成及应用研究45-52
• 4.1 引言45
• 4.2 实验部分45-46
• 4.2.1 Mo2C球的合成45
• 4.2.2 电极的制备与电池的组装45-46
• 4.3 结果和讨论46-51
• 4.3.1 Mo2C-MSs的表征46-47
• 4.3.1.1 形貌及内部结构分析46
• 4.3.1.2 XRD分析46-47
• 4.3.2 Mo2C-MSs在以I3-/I-为电对的DSCs中的应用47-48
• 4.3.3 Mo2C-MSs对I3-/I-电对催化机理研究48-49
• 4.3.4 Mo2C-MSs在以T2/T-为电对的DSCs中的应用49-50
• 4.3.5 Mo2C-MSs对T2/T-电对催化机理研究50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 结论和展望52-53
• 参考文献53-63
• 致谢63-64
• 攻读学位期间取得的科研成果清单64

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