非铂催化材料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：非铂(Pt)催化材料在能源转换、能源存储以及有机合成等领域有望代替贵金属铂,近年来受到广泛关注。本工作以开发非铂催化材料为切入点,设计并合成了有序介孔碳、过渡金属碳化物、氮化物、氧化物、硫化物以及磷化物等一系列非铂催化材料,并用其作为染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell,DSC)的对电极催化材料构建光电器件,获得了较高的能量转换效率。 染料敏化太阳能电池由于其具有制备工艺简单、环境友好、能量转换效率高以及成本相对较低等优点而备受关注。DSC通常由三个部分组成,即光阳极(吸附有染料的半导体多孔膜)、对电极和电解液。半导体材料为Ti02,染料为羧酸联吡啶钌配合物,电解液含有13-/I-氧化还原电对,对电极催化材料为铂。然而,铂是贵金属,价格昂贵且储量有限。此外,铂易被电解液中的13-/I-腐蚀,影响DSC的稳定性。因此,为了降低DSC成本和提高其稳定性,开发高效、低成本、储量丰富且耐腐蚀的非铂催化材料迫在眉睫。 首先,合成了有序介孔碳并将其作为对电极催化材料用于DSC。有序介孔碳表现出与铂相似的催化性能。相同条件下系统比较了有序介孔碳、活性炭、炭黑、色素碳、碳纳米管和碳纤维等9种碳材料在DSC中的催化性能,证明色素碳和有序介孔碳的催化性能最高。有序介孔碳的介孔有序结构有利于电解液的传输,是获得高催化性能的关键。此外,发现在碳电极中添加Ti02半导体纳米粒子可提高其稳定性,并考察了碳膜厚度对碳电极催化性能的影响。 其次,利用简单的化学或物理方法合成了前期过渡金属(Cr、Mo、W、V、Nb、Ti和Zr)的碳化物、氮化物以及氧化物等一系列非铂催化材料。通过调控反应原料的用量、反应温度和时间控制目标产物的种类、晶型、粒径和形貌。系统研究了材料的种类及其微观结构与催化性能之间的关系。实验结果表明在构建DSC过程中,不同材料表现的催化性能差异较大,其中,Mo2C、WC、TiC、Cr3C2、Mo2、W2N、TiN、VN、CrN和V2O3表现出较高的催化性能,有望代替昂贵的Pt。此外,研究发现对于同一种材料,小粒径大比表面积的材料具有较高的催化性能。将对电极催化材料从碳化物、氮化物和氧化物拓展到硫化物和磷化物,合成的MoS2和WS2表现出很高的催化性能,而MoP和Ni5P4的催化性能较硫化物低。实验结果证明原位合成的负载型催化材料(介孔碳负载的MoC、Mo2C、WC、WO2和VC)均表现出高于Pt的催化性能,说明负载是提高材料催化性能的一条有效路径。 最后,通过电化学阻抗、循环伏安和塔菲尔极化曲线实验进行了催化材料对传统氧化还原电对(13-/I-)以及新型有机氧化还原电对(T2/T-)还原再生催化机理研究。发现一些非Pt催化材料,如TiC、CrC2、WO2、MoS2以及WS2等在T2/T-体系中表现出比Pt高的催化性能,说明开发的非铂催化材料不仅适用于传统碘氧化还原电对体系也适用于新型有机氧化还原电对体系。 综上所述,本论文设计并合成了一系列非Pt催化材料,并将其用于染料敏化太阳能电池,极大丰富了对电极催化材料的取材范围,降低了器件的制作成本并提高了此类有机薄膜太阳能电池的竞争力,将会促进这一新兴光伏产业的实用化进程。 【关键词】：非铂 催化材料 设计合成 染料敏化太阳能电池 对电极
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ426.94;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 引言12-13
• 1 太阳能资源与太阳能电池13-21
• 1.1 引言13-14
• 1.2 太阳能资源14-16
• 1.2.1 太阳常数与大气质量14-15
• 1.2.2 太阳辐射的光谱分布15
• 1.2.3 太阳能资源的特点15-16
• 1.2.4 太阳能的利用方式16
• 1.3 太阳能电池的发展历程16-18
• 1.4 太阳能电池的种类18-21
• 2 染料敏化太阳能电池21-46
• 2.1 引言21
• 2.2 染料敏化太阳能电池的结构21-22
• 2.3 染料敏化太阳能电池的工作原理22-24
• 2.4 染料敏化太阳能电池的重要参数24-26
• 2.4.1 光电转换效率24-25
• 2.4.2 光电流密度-光电压曲线25-26
• 2.5 染料敏化太阳能电池的关键材料26-43
• 2.5.1 导电衬底26-27
• 2.5.2 多孔半导体薄膜27-29
• 2.5.3 敏化剂29-31
• 2.5.4 电解液31-34
• 2.5.5 对电极34-43
• 2.6 选题依据和意义43-46
• 3 碳催化材料的合成及应用研究46-63
• 3.1 引言46
• 3.2 实验部分46-49
• 3.2.1 有序介孔碳的合成46
• 3.2.2 电极的制备与电池的组装46-47
• 3.2.3 表征方法及测试手段47-49
• 3.3 结果和讨论49-62
• 3.3.1 碳材料的表征49-52
• 3.3.1.1 有序介孔碳的表征49-51
• 3.3.1.2 不同碳材料的形貌表征51-52
• 3.3.2 碳材料在DSC中的应用52-53
• 3.3.3 碳材料对碘电对的催化机理研究53-56
• 3.3.3.1 循环伏安53-54
• 3.3.3.2 电化学阻抗54-55
• 3.3.3.3 塔菲尔极化曲线55-56
• 3.3.4 TiO_2的添加量对碳电极催化性能的影响56-59
• 3.3.5 膜厚对碳电极催化性能的影响59-61
• 3.3.6 柔性碳对电极61-62
• 3.4 本章小结62-63
• 4 钼和钨的碳化物、氮化物及氧化物催化材料的合成及应用研究63-91
• 4.1 引言63
• 4.2 实验部分63-65
• 4.2.1 钼和钨的碳化物、氮化物以及氧化物的合成63-65
• 4.2.2 电极的制备与电池的组装65
• 4.3 结果和讨论65-89
• 4.3.1 大粒径碳化钼和碳化钨的表征及其在DSC中的应用65-71
• 4.3.2 有序介孔碳负载碳化钼和碳化钨的表征及其在DSC中的应用71-76
• 4.3.2.1 有序介孔碳负载碳化钼和碳化钨的表征71-73
• 4.3.2.2 有序介孔碳负载碳化钼和碳化钨在DSC中的应用73-74
• 4.3.2.3 有序介孔碳负载碳化钼和碳化钨对碘电对的催化性能研究74-75
• 4.3.2.4 有序介孔碳负载碳化钼的形成机理研究75-76
• 4.3.3 小粒径碳化钼和碳化钨的表征及其在DSC中的应用76-77
• 4.3.4 氮化钼和氮化钨的表征及其在DSC中的应用77-82
• 4.3.4.1 氮化钼和氮化钨的表征77-79
• 4.3.4.2 氮化钼和氮化钨在DSC中的应用79-81
• 4.3.4.3 氮化钼和氮化钨对碘电对的催化性能研究81-82
• 4.3.5 氧化钼和氧化钨的表征及其在DSC中的应用82-86
• 4.3.5.1 氧化钼和氧化钨的表征82-83
• 4.3.5.2 氧化钼和氧化钨在DSC中的应用83-84
• 4.3.5.3 氧化钼和氧化钨对碘电对的催化机理研究84-86
• 4.3.6 介孔碳负载氧化钨的表征及其在DSC中的应用86-89
• 4.3.6.1 介孔碳负载氧化钨的表征86-88
• 4.3.6.2 介孔碳负载氧化钨在新型有机氧化还原电对中的应用88
• 4.3.6.3 介孔碳负载氧化钨对新型有机氧化还原电对的催化性能研究88-89
• 4.4 本章小结89-91
• 5 铬、钒、钛、铌和锆的碳化物、氮化物及氧化物催化材料的合成及应用研究91-112
• 5.1 引言91
• 5.2 实验部分91-92
• 5.2.1 铬、钒、钛、铌和锆的碳化物、氮化物及氧化物的合成91
• 5.2.2 介孔碳负载碳化钒的合成91-92
• 5.2.3 电极的制备与电池的组装92
• 5.3 结果和讨论92-110
• 5.3.1 铬、钒、钛、铌和锆的碳化物、氮化物及氧化物的表征92-100
• 5.3.2 铬、钒、钛、铌和锆的碳化物、氮化物及氧化物在DSC中的应用100-102
• 5.3.3 膜厚对TiC对电极催化性能的影响102-103
• 5.3.4 铬、钒、钛、铌和锆的碳化物、氮化物及氧化物对碘电对的催化机理研究103-107
• 5.3.5 对电极的长期稳定性研究107
• 5.3.6 碳化物在新型有机氧化还原电对中的应用107-109
• 5.3.7 碳化物对新型有机氧化还原电对的催化机理研究109-110
• 5.4 本章小结110-112
• 6 硫化物和磷化物催化材料的合成及应用研究112-125
• 6.1 引言112
• 6.2 实验部分112-113
• 6.2.1 硫化物的合成112
• 6.2.2 磷化物的合成112-113
• 6.2.3 电极的制备与电池的组装113
• 6.3 结果和讨论113-124
• 6.3.1 硫化物的表征113-114
• 6.3.2 硫化物在DSC中的应用114
• 6.3.3 硫化物对碘电对的催化机理研究114-116
• 6.3.4 硫化物在新型有机氧化还原电对中的应用116-117
• 6.3.5 磷化物的表征117-119
• 6.3.6 磷化物在DSC中的应用119
• 6.3.7 磷化物对碘电对的催化机理研究119-122
• 6.3.8 磷化物在新型有机氧化还原电对中的应用122
• 6.3.9 磷化物对新型有机氧化还原电对的催化机理研究122-124
• 6.4 本章小结124-125
• 结论和展望125-127
• 参考文献127-141
• 附录 名词缩写141-142
• 创新点摘要142-143
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况143-147
• 作者简介147-148
• 致谢148-149

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

硫化物纳米管及其研究进展    马江虹,翟玉春,田彦文

阴极修饰对染料敏化TiO_2太阳能电池性能的改进    范乐庆,吴季怀,黄昀昉,林建明

过渡金属硫化物纳米粒子制备技术研究进展    何杰;管翠诗;安长华;王宗贤;

过渡金属硫化物催化剂催化加氢作用机理    柴永明;安高军;柳云骐;刘晨光;

过渡金属磷化物的制备和催化性能研究    刘理华;李广慈;刘迪;柳云骐;刘晨光;

世界铂族金属矿产资源及开发    张苺;

As~(3+)浓度对阴极铜稳态极化曲线平衡电位的影响    陈少华,鲁道荣

电动势法测量离子平均活度系数和标准电极电位    张德生,颜莉莉

稀土含量对25CrMoA抽油杆钢硬度及腐蚀性能的影响    王昭君;王志英;汪琦;刘发友;

钯在脱乙酰壳多糖化学修饰电极上的电化学行为及分析应用    王艳,叶宪曾,李南强

铝的碱性化学抛光光亮剂作用的机理研究    于维平,苗艺,张凌云

利用极化曲线推测中性水溶液中钛合金表面的氧化还原反应机理    姜应律,吴荫顺

活化极化控制下合金表观与真实腐蚀极化图    孟琳;何业东;

稀土铈对锌铁合金镀层耐蚀性的影响    章江洪,张英杰,范云鹰,陈阵

铜及其合金的表面钝化-涂装抗蚀性能的电化学测试    冯绍彬,商士波,包祥,冯丽婷

纯钛表面渗Mo改性层在模拟人工体液中的腐蚀行为研究    秦妍梅;孙斌煜;张秀芝;闫晓燕;范爱兰;

改性纳米二氧化钛薄膜制备及其在模拟海水中光生阴极保护性能研究    王爱萍

胶凝材料组成与钢筋混凝土氯离子腐蚀研究    黎鹏平

咪唑基离子液体在锌电沉积中的作用机理研究    张启波

BaTiO_3纳米纤维湿度传感性能的研究    贺媛

萘、甲基萘在Ni_2P/SiO_2及Pd-Pt/SiO_2-Al_2O_3催化剂上的加氢研究    张小菲

碱性氧化法处理铜/铅阳极泥的研究    刘伟锋

钽醇盐的电化学合成及纯化研究    杨海平

油气田用抑制CO_2腐蚀的咪唑啉类缓蚀剂的缓蚀行为研究    王彬

DMFC和DSSC的化学增强与光辅助增强催化    王耀琼

煤层气生成过程中的矿物/金属元素催化作用    吴艳艳

PVP修饰下的含铁氧化物催化水合肼还原硝基苯    石丽丽

基于热重分析法的硫铁矿自燃特性实验研究    陈晨

模拟钻井液中复合缓蚀剂的研究    邹家素

染料敏化太阳能电池光阳极和对电极的研究    冯小明

模拟深海环境阴极保护初期钙镁沉积层的研究    曹振宇

多因素耦合作用下混凝土性能劣化的评价及研究    王阵地

第二代磷酸盐防锈颜料腐蚀抑制性能的评价及防锈机理的研究    房伟

X80钢在鹰潭土壤环境中的应力腐蚀行为研究    王成祥

Ag/AgCl全固态海洋电极的工艺与性能研究    雷梦毕

Zr元素对铝合金导线组织及性能的影响    王秀芳

纳米颗粒团聚的控制    冯拉俊,刘毅辉,雷阿利

二苯并噻吩在分散型钼催化剂和原位产生的氢存在下的加氢脱硫Ⅰ. 产物分布和反应网络(英)    刘晨光,FloraT.T.Ng

NiW/γ-Al_2O_3加氢催化剂化学吸附性质的研究    王锦业,龙湘云,聂红,石亚华,李大东,金泽明

一种新型高活性加氢脱硫催化剂:二氧化硅担载的磷化镍(英文)    孙福侠,魏昭彬,应品良,孙秀萍,蒋宗轩,田福平,杨永兴,李灿

纳米二硫化钼的形态调控制备研究    杨刚,麻红昭

均相沉淀法制备纳米硫化亚铁    陈凡,励亮,孙晓宇,乐英红,胡建华

水热微乳液法制备低维硫化镍纳米晶    陈德良,高濂

溶剂热法合成CoS_2纳米粉体    段鹤,郑毓峰,张校刚新疆大学化学系,孙言飞,董有忠

纳米铁硫簇的制备及其结构研究    彭淑鸽,张兴堂,刘长春,黄亚彬,杜祖亮

二硫化钼纳米微粒的表面修饰及结构表征    张治军，原虎山，张天莉，张军，薛群基

料道电极的布置及极间电阻计算    吴嘉培;

戊巴比妥和异戊巴比妥电极的研制    郭永利;王昌益;

基于不同浓度铂对电极的染料敏化太阳能电池的性能研究    黄光胜;阮晓莉;竹怀君;

纳米结构聚苯胺和聚吡咯电活性的对比研究    李晓雪;张君;图布新;施晓婷;

PVC膜PH电极的研究    吴海龙;俞汝勤;

点焊机电极头的改进    温泽民;

埋入式电极盐浴炉结构的改进    

染料敏化太阳能电池对电极的研究进展    李国;胡志强;高岩;刘敬肖;刘贵山;

染料敏化太阳能电池对电极的研究进展    尹艳红;许泽辉;冯磊硕;杨书廷;李承斌;

电弧炉电极的冷却    沈耕森;

高性能柔性载铂对电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用    傅年庆;林原;

新型固态染料敏化太阳能电池对电极设计及聚吡咯对电极研究    夏江滨;陈玲;

电积沉方法制备染料敏化太阳能电池的对电极(英文)    Jeng-Yu Lin;Jen-Hung Liao;

MWCNT/TiO_2复合对电极的制备及其光电化学性能研究    顾云良;王育乔;孙岳明;

金属硫化物对电极在敏化太阳能电池中的应用    孙惠成;罗艳红;李冬梅;孟庆波;

新型、高效染料敏化太阳能电池碳对电极    罗艳红;刘喜哲;黄振;孟庆波;

恒电位聚合法制备染料敏化太阳能电池中的PEDOT/MWCNT纳米复合对电极    祁昊楠;王育乔;孙岳明;

FTO基底上原位合成Cu_2ZnSnS_4纳晶薄膜及其在DSC对电极中的应用    周正基;袁胜杰;武四新;

低温制备染料敏化太阳能电池碳对电极    李可心;李冬梅;罗艳红;孟庆波;

柔性基底上PEDOT:PSS-C复合薄膜对电极的制备    许芳怡;胡志强;王仁博;高丽;

测定电极消耗 改善电极使用性能    杨雄飞

染料敏化太阳能电池专利申请分析    素白

几种常用传感器的工作原理    河南 董美红

发达国家电弧炉高效节能技术简介④    郭廷杰

太阳能电池：让“阳光”主宰未来生活    本报记者　张显峰

“双极膜电渗析法生产葡萄糖酸研究”成果通过鉴定    科宣

车用动力镍氢电池通过验收    记者　 李玉成

加开发出新型光子晶体显示技术    冯卫东

新仿生手灵巧如真手,能开锁和易拉罐    蔡莹新华社特稿

“双管齐下”水更清    本报记者 冯卫东

染料敏化太阳能电池新型对电极材料研究    姜奇伟

碳材料对电极在染料敏化太阳能电池中的应用    胡浩

染料敏化太阳能电池用聚苯胺电解质及对电极的制备与性能研究    秦琦

染料敏化太阳能电池准固态电解质及碳基对电极研究    张丁文

基于异质结和导电聚合物对电极的染料敏化太阳能电池研究    岳根田

介观太阳能电池碳对电极研究    刘广辉

染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究    周聪华

纳米碳材料的制备及在染料敏化太阳能电池对电极中的应用研究    曾玮

DMFC和DSSC的化学增强与光辅助增强催化    王耀琼

非铂催化材料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用    武明星

染料敏化太阳能电池微铂对电极的制备与性能    马换梅

染料敏化太阳能电池中低成本对电极的研究    王宇迪

染料敏化太阳能电池炭对电极的研究    王德龙

染料敏化太阳能电池对电极材料研究    郭霜霜

基于导电聚合物对电极的双面染料敏化太阳能电池研究    李艳

染料敏化太阳能电池碳对电极的研究    卫艳双

染料敏化太阳能电池柔性对电极的制备及性能研究    竹怀君

碳材料对电极在染料敏化太阳能电池中应用    刘继国

二维片层基复合对电极的可控构筑及光电特性    苗小欢

基于电聚合聚苯胺对电极的离子液体型染料敏化太阳能电池    叶报喜