[发明专利]一种二硒化钒掺杂镍钴硒化物蛋黄壳结构微米长方体对电极催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二硒化钒掺杂镍钴硒化物蛋黄壳结构微米长方体对电极催化剂及其制备方法。将醋酸钴和醋酸镍的混合溶液加入溶有聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶剂中，在水浴条件下加热反应获得Ni‑Co棱柱前驱体沉淀。后将前驱体与偏钒酸铵水浴反应获得中间体NiCo‑VO_x，实现钒杂原子的掺杂；最后将中间体进一步高温硒化，得到具有蛋黄‑壳结构的VSe₂‑NiCoSe_x催化剂。本发明的方法操作条件温和可控，反应时间短，成本低，且制得的催化剂由于多种不同金属离子的协同作用以及钒杂原子的掺杂，提供了更多的活性位点。同时，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9.50％。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种二硒化钒掺杂镍钴硒化物蛋黄壳结构微米长方体对电极催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

21世纪社会的进步和发展，往往伴随着对传统能源的巨大消耗以及因其所带来的一系列严峻的环境和社会问题。因此，在以新能源转化技术为基础，探索可再生清洁能源及开发新型绿色能源转换装置应对日益严重的环境和能源问题已迫在眉睫。相对于其他可再生的清洁能源而言，太阳能因其储量大、来源广泛、能量高、安全环保等优点，被认为具有很大的开发潜能和应用前景。通过新型能源转换装置的开发以实现对太阳能的高效利用，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。

从第一代硅系太阳能电池问世，到第二代以碲化镉、砷化镓等多元化合物为主的薄膜太阳能电池，再到第三代以染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell,DSSC）为重点的有机化合物太阳能电池，人们不断改进能源转换技术以谋求实现太阳能的高效利用和转换。染料敏化太阳能电池作为新型太阳能转换装置，由于其光电转换效率高、制造成本低、环保等突出优点，是光伏产业在新能源领域发展的重点。

DSSC由对电极、电解质和负载染料的TiO₂光阳极三个部分组成。对电极在DSSC中起到汇集外电路电子并还原I₃^–离子的作用，是其不可分割的一部分。贵金属Pt作为DSSC中对电极传统的催化剂，具有良好的催化性能，但其储量低、价格高、妥协性差等主要缺点严重阻碍了其大规模应用。因此，开发一种高活性、低成本且可以媲美Pt的非贵金属催化剂对于DSSC的进一步发展和应用具有战略性的意义。

近年来随着纳米技术快速发展和染料敏化太阳能电池研究的不断深入，越来越多纳米级别的材料被应用于DSSC的对电极催化剂中。目前涉及于对电极催化材料主要有金属材料（Pt、Ni、Co等）、过渡金属化合物、碳材料、导电聚合材料、氧化物、氮化物及相关的复合材料等。在众多材料中，过渡金属硫属化合物由于其半导体性能优良，光电效应好，镀层广泛及高容量等优点，受到研究学者的广泛的关注。特别是其硫化物与硒化物，如CoS₂、NiS₂、CoSe₂、NiSe₂和MoSe₂，具有优良催化活性和化学稳定性，且对三碘化物的还原催化效果良好，可作为理想的贵金属催化剂替代品应用在DSSC中。实验和理论证明，相较于单元化合物，多元化合物由于多元素的协调效应，往往具有更好的电催化性能。同时，三维层状结构得益于其内部大的空隙，可以暴露更多的活性位点及提供更多的离子转移通道。因此，拥有三维层状结构的多元过渡金属硫化物有望成为贵金属Pt催化剂的替代品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易行，成本低廉且催化活性高的二硒化钒掺杂镍钴硒化物蛋黄壳结构微米长方体对电极催化剂的制备方法，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，合成出的催化剂具有较高的比表面积与催化活性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二硒化钒掺杂镍钴硒化物蛋黄壳结构微米长方体对电极催化剂的制备方法，其特征在于以下步骤：