[发明专利]一种可调控型蛋黄-壳结构氮碳掺杂硫化钴钼对电极催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种可调控型蛋黄‑壳结构的氮碳掺杂硫化钴钼NC‑CoS₂@Co‑MoS₂催化剂的制备方法。将硫化铵和钼酸铵溶解在水中，加入氨水后油浴反应，制得的溶液加入到ZIF‑67多面体分散液中，混合后搅拌得到中间体ZIF‑67@Co‑MoS₂；再将中间体进一步高温硫化，得到具有蛋黄‑壳结构的NC‑CoS₂@Co‑MoS₂催化剂。该方法通过调控特定的反应时间和反应质量比来控制外壳厚度、内核大小以及蛋黄‑壳的间距，从而形成不同形貌结构的催化剂来达到不同的催化效果。制备所得催化剂具有高的比表面积、孔隙率以及良好的电催化性能，用于染料敏化太阳能电池，其光电转化效率达到9.38％。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种可调控型蛋黄-壳结构的氮碳掺杂硫化钴钼催化剂NC-CoS₂@Co-MoS₂的制备方法。

背景技术

基于上世纪化石能源的过度开发与过度消耗，环境逐步恶化，开发一种绿色能源转换装置已成为近几十年来的一个热门话题。在所有的可再生的清洁能源中，太阳能的利用潜能最大。太阳能具有普遍性，它的利用可以在世界上任何一个可以被阳光照射到的地方；并且利用太阳能不会造成任何二次污染，这也使它成为当今最环保的可利用的能源之一。高效利用太阳能可以彻底改变现有的能源利用方式，让我们的社会进入无污染节约能源的新时代。

1991年，Grätzel等人报道了一种名为染料敏化太阳能电池（Dye SensitizedSolar Cell, DSSC）的新型太阳能转换装置。在接下来的几年中，DSSC的光电转换效率不断提高，很有可能取代硅基电池成为太阳能电池的主导。与上一代硅基太阳能电池相比，由于其光电转换效率高、制造成本低、环保等突出优点，在清洁能源领域引起了广泛的关注。

DSSC由三个部分组成类似三明治的结构:对电极、电解质和负载染料的TiO₂光阳极。对电极是DSSC的重要组成部分，贵金属铂（Pt）作为工业对电极材料在DSSC中得到了广泛的应用。Pt具有良好的电荷转移和电催化能力，用于催化I₃^–/I^–离子对的氧化还原反应。然而，由于Pt储量稀少、价格昂贵，DSSC的大规模商业应用受到限制。因此，寻找一种催化活性较高、价格较低的非贵金属催化剂来替代贵金属Pt已经成为人们研究的方向。

近年来，各种非贵金属催化剂已被发现可用于对电极的电催化，例如碳材料、合金材料、复合材料以及导电聚合物材料，它们各有优缺点。例如，碳材料具有优异的催化活性，而且具有良好的防腐蚀性。但是也具有一定的缺陷：其一，碳材料由于是黑色的，不透光不透明，光线进入电池受阻，由此造成电池的效率大大下降；其二，碳材料具有较差的附着性，容易从导电玻璃上脱落而造成DSSC电池的电路短路。

在众多材料中，ZIF-67多面体具有较好的化学稳定性和热稳定性，既可以作为模板剂，又可以提供Co、N和C元素，加热后也依旧保持多面体形状。此外，ZIF-67多面体还具有高孔隙率和大比表面积等优点，已被广泛应用于DSSC的电催化材料的制备。另外，过渡金属硫属化合物如MoS₂、CoS₂、CoS、FeS、NiS₂以其低廉的价格、优异的电催化活性脱颖而出，特别是那些具有蛋黄-壳结构的过渡金属硫化物，电化学性能更为突出。这是由于催化剂纳米粒子尺寸小，蛋黄-壳结构在纳米粒子的内部造成空隙，在增大比表面积的同时，暴露了更多活性位点，提供了更多的离子通道，因此有望成为DSSC对电极中Pt的替代品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单，成本低廉的可调控型蛋黄-壳结构氮碳掺杂硫化钴钼催化剂（NC-CoS₂@Co-MoS₂）的制备方法，用以取代DSSC中贵金属Pt催化剂。此方法合成工艺简单易操作，合成出的催化剂纳米粒子尺寸小，比表面积大，形貌可调控且催化活性高。