[发明专利]一种硒掺杂石墨烯对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硒掺杂石墨烯对电极及其制备方法，属于碳材料的制备与应用技术领域。

背景技术

由于封装工艺简单、成本低、稳定性好以及光电转换效率高(AM 1.5G模拟太阳光下，转换效率已达13.0％，Nature.Chem.,2014,6,242-247)等优点，染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)的商业化应用价值日益凸显。

DSSCs通常由吸附有染料的TiO₂光阳极、I^-/I₃^-氧化还原电对和对电极组成。作为DSSCs的重要组成部分，对电极的主要作用是收集来自外电路的电子，并将其传输给电解质，催化I₃^-的还原。传统的对电极材料主要是贵金属铂(Pt)，但Pt的资源有限，且易受I^-/I₃^-电解质腐蚀，从而增加了DSSCs的成本，降低了DSSCs的稳定性，限制了DSSCs的广泛应用。有鉴于此，开发廉价、高催化活性、高稳定性的对电极材料成为科研工作者广泛关注的重要研究课题之一。

石墨烯是一种由碳原子堆积而成的单层或少层、二维蜂窝状新型薄膜材料。石墨烯具有高导电性、高比表面积和极好的透光率，因而在电催化、电子器件、传感器等应用中具有巨大潜力。大量研究表明(Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,5121；Sci.Rep.2013,3,2248；Electrochem.Commun.2011,13,8)，石墨烯边缘位和石墨烯基面的电化学性质存在明显差异。其中，石墨烯边缘位具有高的电化学活性，而石墨烯基面是电化学惰性的。为了提高石墨烯本体材料的催化活性，需要对其惰性基面进行活化。杂原子掺杂技术可以有效调控石墨烯基面的电子结构、提高电导率，是活化石墨烯基面、提高石墨烯电催化活性的有效途径之一。专利CN104465113A公布了一种氮掺杂石墨烯对电极，在酸性环境下，通过对氧化石墨烯和尿素进行水热处理，成功制备出氮掺杂石墨烯，作为DSSCs对电极材料，光电转换效率高于未经氮掺杂的石墨烯对电极。有鉴于此，开发简单、有效的技术方法，制备边缘位点丰富、基面被充分活化的石墨烯对电极材料仍是DSSCs应用中亟需解决的关键问题之一。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种硒掺杂石墨烯对电极及其制备方法，该制备方法工艺简单、操作安全、成本低廉，制得的对电极催化活性高、稳定性好，可以促进高性能DSSCs的商业化应用。

为了实现上述发明目的，解决现有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种硒掺杂石墨烯对电极，包括绝缘基底、导电层及硒掺杂石墨烯，所述导电层通过物理方法沉积在绝缘基底上，所述硒掺杂石墨烯通过粘结剂附着在导电层上；所述绝缘基底为玻璃，厚度为18-22mm，所述导电层为掺氟的二氧化锡，厚度为0.2-0.5mm。

所述一种硒掺杂石墨烯对电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将氧化石墨烯和硒粉置于二氧化锆球磨罐中，所述氧化石墨烯与硒粉的质量比为1.0:1.0-5.0，所述氧化石墨烯和硒粉总质量与二氧化锆球的质量比为1:50-100，罐内惰性气氛保护，球磨机转速控制在200-400r/min，球磨时间控制在8-16h；

步骤2，将步骤1所制得的混合物从球磨罐中取出，将一部分混合物置于第一陶瓷舟中，将硒粉置于第二陶瓷舟中，所述第一陶瓷舟中混合物与第二陶瓷舟中硒粉的质量比为1.0:1.0-5.0，再将盛有混合物的第一陶瓷舟置于惰性气流的下游，将盛有硒粉的第二陶瓷舟置于惰性气流的上游，两陶瓷舟的距离为0-5cm，升温退火处理，温度从室温以0.5-15℃/min升温速率升至600-1000℃，再恒温60-150min，冷却至室温，制得硒掺杂石墨烯材料；

步骤3，将步骤2制得的硒掺杂石墨烯材料、乙基纤维素和松油醇置于研钵中，研磨15-30min，利用刮涂法将所得浆料涂覆到绝缘基底的导电层上，所述硒掺杂石墨烯材料与乙基纤维素的质量比为1.0:2.0-10，所述硒掺杂石墨烯材料与松油醇的质量比为1.0:6.0-10；

步骤4，在惰性气氛保护下，对步骤3得到的涂覆有浆料的绝缘基底升温退火处理，温度从室温以0.5-15℃/min升温速率升至400-550℃，再恒温20-70min，冷却至室温后，得到目标对电极；

所述惰性气体选自氩气、氮气或氦气中的一种；