能源是社会经济发展和提高人类生活水平的重要基础,由于化石燃料的不可再生性与大量温室气体的排放对环境和人类生命健康产生了巨大的危害,因此唯有改变现有的能源结构,发展可持续的清洁能源才能使人类社会得到充分的发展而不会受到能源不足等问题的干扰,目前这一解决方案也已成为全球范围内关注的主要问题之一。在当今世界已知的清洁能源中,太阳能作为最丰富、可再生的清洁能源,在光电转化方面有很大的应用并获得了很多的研究报道。自20世纪60年代染料敏化太阳能电池机理问世以来,其得到不断发展,但光电转化性能一直不高,直到Gratzel在1991年对染料敏化太阳能电池(DSSCs)的光阳极作出改善,主要归功于TiO2纳米晶和钌配合物染料的有效共同使用,将原有不到2.5%的光电转化效率提高到了 7.1%,打破了以往数百年难以跨越的研究瓶颈。染料敏化太阳能电池以其简便的制备方法,优异的光电转化性能等成为具有应用前景的技术之一。考虑到光吸收过程和电子收集过程是分开进行的,即光生电子由基底表面的单层感光染料分子吸收太阳光产生,而DSSC中使用半导体层作为基底进行电子的传输,这与传统的太阳能电池不同,在DSSCs中可以实现较低的电子空穴重组速率,因此可以实现更高的效率。与此同时DSSCs还可以制作成不同的形状,以及各种颜色和不同的透明度,以满足各种应用的要求;此外DSSCs在低日照下也能高效发电,扩大了DSSCs在室内的应用。对电极CE是DSSCD的重要组成部分之一,而传统CE材料是金属铂,它拥有优异的电催化性能,成为目前反电极催化领域公认的参比电极。由于储备的稀缺性,铂非常昂贵,这对于对电极材料来说成本高,不适合大规模生产和商业应用,那么开发低成本,高性能的CE材料来代替铂,将对DSSC的研究有重大意义。为了提高DSSCs中CE材料的电化学性能,纳米结构复合材料的设计应关注以下几个方面:(1)均匀的纳米结构有利于电子的良好传输;(2)纳米空心复合结构拥有优越的电化学活性;(3)具有高比表面积的分层多孔材料可以最大限度地吸附电解液中的电子;(4)纳米复合材料在电解质中应具有超稳定性;(5)简单、低成本的合成策略有利于实际应用。针对上述关键问题,构建了一个合理的精准控制的设计,从而实现高度均匀的Fe3O4纳米颗粒,并将其与碳复合形成复合物作为CE运用于DSSC。相关内容如下:1.通过简单的水热法合成大量均匀的Fe3O4微球,该微球是由较小的纳米颗粒团聚形成。Fe3O4微球分别与无定形碳和石墨烯进行复合形成金属氧化物和碳的复合物,并且作为CE使用在DSSC中。通过对其电化学性能测试发现Fe3O4对电极材料在电解液中表现出非常优秀的碘对离子催化性能,且性能接近铂电极。但是该材料循环稳定性较差,从而影响大规模运用。因此首先将Fe3O4微球与无定形碳进行复合,实验发现复合物的循环稳定性得到提升,但电催化性能相比于纯Fe3O4微球略微降低,猜想可能无定形碳导电性较差,从而影响复合物的电催化性能,为此使用导电性能更优秀的石墨烯和Fe3O4进行复合,Fe3O4微球被石墨烯封装,稳定性和电催化性能有极大的提升。2.Fe3O4纳米颗粒由于粒径较小易于团聚,从而影响电解液与纳米颗粒的充分接触导致电催化性能达不到最优,为此首先设计了空心核壳介孔碳微球,之后将Fe3O4纳米颗粒镶嵌在碳微球的介孔中,扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像显示,Fe3O4纳米颗粒均匀地镶嵌在空心核壳介孔碳微球的介孔中,迫使Fe3O4纳米颗粒均匀的分布在碳球上避免了团聚的劣势,复合材料的性能相比于纯Fe3O4和核壳碳介孔微球有了很大的提升,但稳定性依然较差,在此基础上引入石墨烯形成三元夹层结构,利用石墨烯的柔性对整体进行封装,从而抵御电解液对Fe3O4纳米颗粒的腐蚀,三元复合材料在光电转化和稳定性上取得巨大突破。3.在DSSC中,探究不同微观形貌的Fe3O4在作为CE的性能上有无不同影响,因此在相同的条件下对二维多孔Fe3O4纳米片和三维多孔Fe3O4纳米花球进行电化学性能检测,结果表明三维多孔Fe3O4纳米花球表现出超越铂的电化学性能,说明材料的微观形貌对光电转化效率的影响不容小觑。4,.将三维多孔Fe3O4纳米花球分别与氧化还原石墨烯(RGO)和氮掺杂氧化还原石墨烯(N-RGO)进行复合应用于染料敏化太阳能电池对电极。通过水热法制备三维多孔Fe3O4纳米花球,并成功的与RGO和N-RGO进行复合分别形成Fe3O4UFM@RGO,Fe3O4UFM@N-RGO,发现相比于纯的Fe3O4纳米花球和Fe3O4UFM@RGO,Fe3O4UFM@N-RGO拥有具有较大的比表面积和更多的反应位点,在极化、阻抗、循环伏安法和光电转化效率等测试中可以清楚地发现其性能超越了纯的Fe3O4纳米花,Fe3O4UFM@RGO和贵金属铂,这种结构可以取代贵金属铂应用于DSSCs的CE材料。