[发明专利]一种石墨烯/铂纳米粒子复合纤维电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维状电极制备技术领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池电极材料及其制备方法。

背景技术

石油、天然气和煤炭等化石能源是目前人类使用的主要能源，然而由于它们的不可再生性，如果按照现在的能源利用结构及增长率，在未来的几十年到一百年内，化石能源将被耗尽。同时大量的化石能源的使用造成了大量的二氧化钛等温室气体的排放，导致全球的气候的变化。因此发展绿色无污染的可再生能源是当前世界各国达成的普遍共识。太阳能，作为最清洁无污染的可再生能源，则有望解决未来的能源问题，其中利用太阳能电池来发电是太阳能利用的主要形式之一。传统的硅基太阳能电池虽然转换效率较高，但是由于其成本过高，制备过程复杂，难以在日常生活中得到大规模的使用。即使是太阳能电池市场比较发达的美国，过去50年里光伏发电的比例也仅为0.1%。最近二十年来，有机太阳能电池由于其低成本，容易制备，柔性等优点而受到科学界和工业界的广泛关注^[1]。

目前被广泛研究的有机太阳能电池主要包括染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池。与硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池的主要应用挑战来自较低的光电转化效率，如染料敏化太阳能电池最高效率在12%左右^[2]，而聚合物太阳能电池刚突破10%^[3]。不过虽然有机太阳能电池的效率较低，但是它却有其独特的优势，比如由于它质量轻且可柔性化，特别适合于生活中的小功率器件，让生活更加便捷。最近线状太阳能电池成为了科学界的一个研究热点^[4-10]，主要是因为线状电池的可编织性，可以让太阳能电池编织成任意的形状，从而进一步拓宽太阳能电池的应用范围。

然而当前限制线状太阳能电池应用的主要问题仍是较低的光电转化效率，对于线状聚合物太阳能电池，报道的最高效率仅为3.29%^[9]，而对于线状染料敏化太阳能电池，报道的最高效率也仅为7%^[7]。对于线状聚合物太阳能电池，由于制备要求较高，短时间内制备很难进一步提高。而对于线状染料敏化太阳能电池，则相对较为容易制备，但是限制它效率的主要因素是电极材料的选择和制备，作为线状电池的电极材料，它不仅需要高导电率和高强度，同时得具有良好的柔性和催化性能。然而对于现在已经研究过的电极材料，如金属丝，修饰过的聚合物纤维，碳纤维，碳纳米管纤维，都由于不同的原因，无法完全满足线状电极材料的需要，比如，金属丝容易受到电解液的腐蚀，而修饰过的聚合物纤维的强度较弱且导电性较差，而对于碳纤维和碳纳米管纤维的导电性和催化活性均无法完全满足要求。因此急需要寻找或制备一种新的电极材料来进一步提高线状染料敏化太阳能电池的光电转化效率。

石墨烯，是一种由碳原子构成的单原子层二维材料。它的拉伸强度达到了创纪录的124GPa，而密度仅仅为1.33gcm^-3，比表面积达到了2630 m²g^-1，同时电导率为10⁶ Scm^-1，载流子迁移率达到了2*10⁵ cm² V^-1s^-1, 比金属丝铜，银更高^[11]。因此，它是一种理想的电极材料，在各种电子器件中有十分深远的应用前景。

然而，现在对于石墨烯的应用主要以薄膜或块状的形式进行应用。2011年，浙江大学高超课题组成功实现了湿法制备石墨烯纤维，这种纤维具有很大的比表面积和柔性，同时具有较好的强度和导电性^[12]。同时另外的研究人员也实现了使用水热法制备出石墨烯纤维^[13]。这些纤维都表现出较好的电学及力学性能，通过进一步优化有应用于各种线状器件的潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电化学性能优良的纤维电极及其制备方法。

本发明提供的电化学性能优良的纤维电极，其材料是一种石墨烯/铂纳米粒子复合纤维。

上述石墨烯/铂纳米粒子复合纤维的制备方法，具体步骤如下：

首先，通过湿仿法制备氧化石墨烯纤维，然后对它进行还原得到石墨烯纤维；