[发明专利]一种中空棱柱形四元硫化镍钴钨对电极催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种中空棱柱形四元硫化镍钴钨对电极催化剂的制备方法，该种催化剂由于多种不同金属离子的协同作用，并且掺杂了WS₂，提供了大量的活性位点，因而具有更好的电导率和更强的氧化还原反应，同时空心结构提供了更多的离子交换通道，其内部空隙与多孔性质更利于电解液离子的传输交换，从而导致更优异的电化学性能，将其应用于染料敏化太阳能电池的对电极中，光电转化效率达到9.41％，并且在I₃⁻/I⁻电解质体系中拥有良好的电化学稳定性，在经过1000次连续循环伏安扫描后，光电转化效率仍能保持初始值的88.9%。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种中空棱柱形四元硫化镍钴钨对电极催化剂的制备方法。

背景技术

近年来，全球范围内作为一次能源的化石能源的消耗急剧增加，由此引发的环境污染和对生态环境的破坏不容忽视。为了解决能源危机、生态破坏和温室效应等一系列环境污染问题，探索研发可再生的绿色清洁能源刻不容缓。在目前已知的各种可再生绿色能源中，太阳能由于其取之不尽，用之不竭，容量巨大，通用性强和安全环保等优点，其发展前景广阔。

染料敏化太阳能电池(DSSCs)是模仿光合作用，将太阳能转换为电能的一种太阳能电池。与硅太阳能电池相比，DSSCs成本低廉、耗能较少、结构简单、对环境友好和生产过程无毒无害等优点。经过世界各国科研工作者的共同努力，DSSCs在光电转化效率、稳定性和耐久性等方面有了很大提升，拥有比硅电池用途更为广泛的应用前景。

DSSCs通常由经N719染料敏化的TiO₂光阳极、I^‒/I₃^‒(氧化还原对)电解质溶液以及由催化剂制备的对电极三个部分组装成三明治结构。DSSCs电池的性能与以上三个部分密切相关。其中，I₃^‒和I^‒的互相转化实现了光阳极和对电极之间的电荷转移，对电极的功能是从外部电路中收集电子并将I₃^‒催化成I^‒以再生感光剂；而将I₃^‒还原为I^‒，在很大程度上依赖于对电极的性能。理想的对电极电催化剂在氧化还原电解质中应表现出优异的电催化活性、高电导率和持久的稳定性。经热解氯铂酸制备的Pt对电极拥有良好的电催化活性，但由于Pt储量低、成本高且在电解质中易被腐蚀，阻碍了具有稳定输出功率的低成本DSSCs的发展。因此，开发拥有出色的电催化性能的低成本对电极材料替代贵金属Pt，已达成科研工作者们的共识。碳材料如富勒烯、炭黑、碳纳米颗粒和石墨烯等由于其自身的通用性能以及良好的电化学稳定性，在某种程度上可能成为Pt的可替代材料。但是，这些材料热稳定性较差，电荷转移电阻较大且电活性表面积较小，制约了其在DSSCs中的应用。

近年来，基于过渡金属硫化物的纳米材料在电化学能量存储和转换方面表现出了广阔的前景。这是由它们的高比表面积和高暴露原子百分比所致，因为电化学反应通常在表面或界面处发生。与碳质对电极相比，具有优异的氧化还原化学性能、优良电导率和高容量的金属硫化物是更有发展潜力的对电极材料。在众多的过渡金属硫化物中，WS₂由一个钨层和两个硫层(S‒W‒S)组成三明治夹层结构，受弱范德华力作用。由于其夹层结构，大的比表面积和大量暴露的边缘电催化活性位点，WS₂在电化学催化应用领域具有广阔的发展前景。而且实验和理论证明，由于多种不同金属离子的协同作用，多元金属硫化物具有更好的电导率和更强的氧化还原反应，从而导致更优异的电化学性能。同时，空心纳米结构因其独特的结构特征而被广泛设计为DSSCs应用中的一种独特类型的高级结构。具有较大比表面积的空心结构通常使催化剂具有较高的表面暴露活性位密度，并且它们的大空隙空间也可以有效降低离子迁移阻力和表面反应的离子扩散长度。因此，拥有空心结构的多元过渡金属硫化物催化剂有望成为DSSCs对电极中贵金属Pt的可替代材料。

发明内容