[发明专利]一种开口空心碳球的制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种开口空心碳球的制备方法，及其在染料敏化太阳能电池中的应用，属于新材料和新能源技术领域。

背景技术

在众多碳材料中，球形碳在学术和工业方面受到了广泛关注。与其它球形碳材料相比，空心碳球具有结构特殊、比表面积大、比重小、耐高温、耐酸碱、导电、导热和丰富的纳米尺度空隙等优点。因此，它在吸附、储能、催化剂、催化剂载体、电极材料等领域具有广泛的应用前景。近年来，越来越多的方法被用到空心碳球的合成当中，有效地促进了空心碳球朝着可控、经济、简易的方向发展。合成方法主要有：化学气相沉积法、金属还原法、冲击压缩法、水热合成法和模板法等。其中，模板法制备空心碳球被认为是较成熟的合成方法。所谓模板法制备空心碳球，就是将易于合成和控制的物质作为模板，通过物理或化学的方法将碳源沉积到模板上，形成核壳结构，碳化，去除模板，得到形貌和粒径可控的空心碳球。模板法根据其模板材料的不同可分为硬模板法和软模板法。然而,到目前为止，模板法制备的空心碳球外表面都是完整的，由于碳球是封闭的，这种碳球的内部不能有效起到相应的作用，如果在碳球表面打开个开口，碳球内部表面也能得到有效利用。与完整的空心碳球相比，开口空心碳球更具优点。例如，在相同体积下，开口的空心碳球具有更大的比表面积。在应用方面，这种空心开口结构有利于液体电解液，药物分子等液态材料的进入，因此，这种表面开口的空心碳球比完整的空心碳球更适合用作催化剂或者药物载体材料。然而，现有技术中关于制备开口空心碳球的方法鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开口空心碳球的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种开口空心碳球在染料敏化太阳能电池中的应用。

本发明提供的一种制备开口空心碳球的方法，不同于以往报道的封闭空心碳球，其表面具有开口。其次，将这种开口空心碳球成功制备成电极，用于染料敏化太阳能电池来代替昂贵的铂（Pt）电极并取得理想的效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：采用残碳率较低的聚合物微球为模板，通过水热法在其表面包覆碳源，然后通过碳化并去除模板得到开口空心碳球。在模板气化分解过程中，由于碳球内部压力变大，当达到其承受极限时，模板气化分解所产生的气体会破壳而出，从而在碳球表面留下一个开口。利用开口空心碳球制备电极，组装染料敏化太阳能电池。

具体的，本发明的一种制备开口空心碳球的方法，包括以下步骤：

（1）将100~700 μL聚合物单体和6~40 μL油酸溶解在10~50 ml的去离子水中，在10~50℃下搅拌，然后加入5~30mg过硫酸钾，进一步加热到70~90 ℃，反应2~10小时，分离和干燥得到模板聚合物微球A；

（2）将聚合物微球A分散到去离子水中，加入溶有碳源的溶液中搅拌，

然后把溶液转移到高压釜中水热聚合，反应结束后，高速离心分离，洗涤、干燥后得到复合物微球(A@B)；

（3）在N₂环境下，将步骤（2）得到的复合物微球(A@B)以1~20℃/分钟

的速率加热到1000 ℃，保持2小时，自然降温，得到开口空心碳球。

步骤（1）中，所用的模板单体为苯乙烯或苯丙烯。

步骤（2）中，所用的碳源为葡萄糖、酚醛树脂、聚丙烯腈中的一种。

步骤（3）中，生成开口空心碳球的煅烧温度不低于800 ℃。

本发明所制备的开口空心碳球作为对电极在染料敏化太阳能电池中的应用，包括以下步骤：

（1）将开口空心碳球分散到溶剂异丙醇中，超声分散5~60 min，制备成质量分数为（0.1~10）%的浆料；

（2）将浆料均匀地涂覆在导电衬底上，N₂气氛下，80~800 ℃烧结5~60 

min，得到空心碳球电极；

（3）以开口空心碳球为对电极,与光阳极和电解液组装染料敏化太阳能电池，并进行能量转换效率测试。测试结果证明这种开口空心碳球作为对电极在染料敏化太阳能电池中，能有效催化氧化还原电对的还原再生。

步骤（1）中，涉及的溶剂为水，乙醇，异丙醇，乙酸乙酯等毒性较小的溶剂。

步骤（2）中，所涉及的涂覆方法为喷涂，印刷或者挂涂法。所涉及的导电衬底为金属，导电玻璃或者高分子导电聚合物。