本發(fā)明涉及一種新型單原子鈦催化劑的制備方法及其在染料敏化太陽能電池對電極中的應(yīng)用，屬于單原子電催化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中，絕大多數(shù)的化工產(chǎn)品是借助催化劑生產(chǎn)出來的，催化劑的應(yīng)用非常廣泛。從醫(yī)藥、能源、軍事，到服裝、鞋帽、消費品，從人類、動植物到包圍著我們的海、陸、空環(huán)境，催化劑的作用無處不在。

上個世紀八十年代，納米材料的出現(xiàn)，引發(fā)了一場技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。同時也為新型多相催化劑的發(fā)展提供了機遇。納米催化劑具有傳統(tǒng)催化劑無可比擬的優(yōu)良催化活性和選擇性，催化材料的納米效應(yīng)在一些領(lǐng)域引起了催化性能的突破。更好的控制催化劑活性位點，將納米結(jié)構(gòu)的活性中心降低至單原子分散的尺度時，原子的利用率就達到了極限，也就得到了單原子催化劑。

單原子催化劑，是由中國科學(xué)院大連化物所張濤課題組于2011年提出的概念。它已經(jīng)在一些催化反應(yīng)中展現(xiàn)了優(yōu)異的性能，包括高活性、高選擇性等。最近幾年，科研人員圍繞單原子催化劑展開了大量的研究。然而，如何實現(xiàn)單原子催化劑的可控制備，仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，急需深入研究。

染料敏化太陽能電池(dscs)由于具有成本低廉、環(huán)境友好、制作工藝簡單和光電轉(zhuǎn)換效率高等特點，一經(jīng)提出就引起廣泛關(guān)注。在dscs中，對電極材料在改善器件的光電轉(zhuǎn)換性能方面發(fā)揮著十分重要的作用。傳統(tǒng)對電極材料為貴金屬pt，由于其儲量有限、價格昂貴、易被電解液腐蝕等缺點而無法大規(guī)模地應(yīng)用于dscs中。因此探索低成本、高效對電極催化劑是染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種新型單原子鈦催化劑的制備方法，并提供以該催化劑作為染料敏化太陽能電池對電極的一些優(yōu)化條件。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種新型單原子鈦催化劑的制備方法，步驟如下：

將氧化石墨和異丙醇進行超聲分散，攪拌作用下，添加有機金屬鈦鹽(雙(乙酰丙酮基)二異丙基鈦酸酯)的異丙醇溶液，得到混合溶液；其中，氧化石墨在異丙醇中的濃度為1-5mg/ml，有機金屬鈦鹽與氧化石墨的質(zhì)量比為0.1-3:100；上述得到的混合溶液繼續(xù)超聲分散1-5h，攪拌2-20h；離心分離反應(yīng)所得的混合液，取沉淀，真空干燥10-40h；將得到的固體粉末在惰性氣氛下熱處理，溫度從室溫以1-20℃/min升溫速率升至400-900℃，恒溫70-300min，冷卻至室溫，得到新型單原子鈦催化劑。

所述的惰性氣體選自氬氣、氮氣或氦氣中的一種；

所述的漿料涂覆方法選自旋涂法、刮涂法或噴涂法中的一種；

將得到的單原子鈦催化劑與氧化鋯珠、異丙醇球磨，所得的漿料噴涂于導(dǎo)電玻璃上；將得到的噴涂過漿料的導(dǎo)電玻璃在烘箱中50-150℃干燥1-5h，得到目標對電極；

所述的導(dǎo)電玻璃上單原子催化劑厚度為1-20μm。

本發(fā)明的有益效果是：與已有技術(shù)相比，利用本發(fā)明方法制備得到的對電極材料為單原子鈦催化劑。不僅保持了基底碳材料比表面積大、導(dǎo)電性能好的優(yōu)點，而且單原子鈦的存在提高了對電極材料的給電子能力，進而提高了其催化活性，對電極光電轉(zhuǎn)換效率較高。

本發(fā)明所述催化劑的制備方法操作簡單，成本低，組裝成染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率較高，是一種很有潛力的染料敏化太陽能電池對電極的替代材料。

附圖說明

圖1是單原子鈦催化劑的掃描電鏡圖(sem)。

圖2是單原子鈦催化劑的透射電鏡圖(tem)。

圖3是單原子鈦催化劑的高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡圖(haadf-stem)。

圖4是對電極不同的噴涂用量所對應(yīng)電池的i-v曲線。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例1

稱取90mg單原子鈦催化劑粉末，加入5ml異丙醇，再加入一些鋯珠，置于臺式分散機中進行球磨分散，頻率為37.33hz，時間為4h。球磨之后，取0.8ml漿料，用美術(shù)噴筆將其均勻地噴涂在事先清洗干凈的fto導(dǎo)電玻璃(5cm×2cm)上，然后將噴涂了均勻催化劑膜的fto導(dǎo)電玻璃置于烘箱中，85℃干燥150min，自然冷卻后即得到目標對電極。然后進行器件組裝并測試光電性能，在am1.5，100mw/cm²光照下用keithley4200來測試電池的i-v性能曲線，如圖4所示。

實施例2

稱取90mg單原子鈦催化劑粉末，加入5ml異丙醇，再加入一些鋯珠，置于臺式分散機中進行球磨分散，頻率為37.33hz，時間為4h。球磨之后，取1.0ml漿料，用美術(shù)噴筆將其均勻地噴涂在事先清洗干凈的fto導(dǎo)電玻璃(5cm×2cm)上，然后將噴涂了均勻催化劑膜的fto導(dǎo)電玻璃置于烘箱中，85℃干燥150min，自然冷卻后即得到目標對電極。然后進行器件組裝并測試光電性能，在am1.5，100mw/cm²光照下用keithley4200來測試電池的i-v性能曲線，如圖4所示。

實施例3

稱取90mg單原子鈦催化劑粉末，加入5ml異丙醇，再加入一些鋯珠，置于臺式分散機中進行球磨分散，頻率為37.33hz，時間為4h。球磨之后，取1.2ml漿料，用美術(shù)噴筆將其均勻地噴涂在事先清洗干凈的fto導(dǎo)電玻璃(5cm×2cm)上，然后將噴涂了均勻催化劑膜的fto導(dǎo)電玻璃置于烘箱中，85℃干燥150min，自然冷卻后即得到目標對電極。然后進行器件組裝并測試光電性能，在am1.5，100mw/cm²光照下用keithley4200來測試電池的i-v性能曲線，如圖4所示。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種新型單原子鈦催化劑的制備及其應(yīng)用，屬于單原子電催化技術(shù)領(lǐng)域。將氧化石墨和異丙醇進行超聲分散，攪拌作用下，添加有機金屬鈦鹽的異丙醇溶液，得到混合溶液；其中，氧化石墨在異丙醇中的濃度為1?5mg/mL，有機金屬鈦鹽與氧化石墨的質(zhì)量比為0.1?3:100；混合溶液繼續(xù)超聲分散1?5h，攪拌2?20h；離心分離反應(yīng)所得的混合液，取沉淀，真空干燥；將得到的固體粉末在惰性氣氛下熱處理，溫度400?900℃，恒溫70?300min，冷卻至室溫，得到新型單原子鈦催化劑。本發(fā)明的制備方法操作簡單，成本低，組裝成染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率較高，是一種很有潛力的染料敏化太陽能電池對電極的替代材料。

技術(shù)研發(fā)人員：梁素霞;史彥濤;郝策
受保護的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.14
技術(shù)公布日：2017.10.20