【摘 要】
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染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)因其具有较高的光电转换效率、高性价比、环境无污染、制备工艺简单等特点,逐渐成为一种具有发展前景的太阳能光伏器件。典型的DSSC由对电极催化剂、光阳极和电解液构成。Pt电极作为目前最常用的对电极材料起着传导电子以及催化还原I3-的作用,然而,Pt电极昂贵的价格严重限制了DSSC的商业化应用。因此,急需开发一种廉价、
【基金项目】
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国家自然科学基金委面上项目(51672208); 国家重点研发项目(2018YFB1502902); 国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD47B02); 陕西省国际科技合作重点项目(2019KWZ-03,2019JZ-20); 陕西省科技厅项目(2010
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染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)因其具有较高的光电转换效率、高性价比、环境无污染、制备工艺简单等特点,逐渐成为一种具有发展前景的太阳能光伏器件。典型的DSSC由对电极催化剂、光阳极和电解液构成。Pt电极作为目前最常用的对电极材料起着传导电子以及催化还原I3-的作用,然而,Pt电极昂贵的价格严重限制了DSSC的商业化应用。因此,急需开发一种廉价、高效、稳定的无Pt对电极材料。本文利用简易的共沉淀法成功制备了三种铌基双金属氧化物(AlNbO4、CrNbO4以及FeNbO4),并将三种材料制成对电极应用于DSSC中。相比于Pt对电极,AlNbO4、CrNbO4及FeNbO4表现出较差的电催化活性,其组装的DSSC取得的光电转换效率(Power conversion efficiency,PCE)分别为2.65%、2.54%和2.38%。进一步制备了三种铌基双金属氧化物与芦荟皮多孔生物质碳的复合材料(AlNbO4/APPC、CrNbO4/APPC和FeNbO4/APPC)。复合材料结合了铌基双金属氧化物以及生物质碳的优点,同时具备优异的催化活性以及良好的电导率,极大地改善了DSSC的光伏性能。引入的多孔生物质碳不仅有效地缓解了铌基双金属氧化物纳米颗粒的团聚现象,暴露更多催化活性位点,而且蜂窝状的多孔结构提供了利于电子转移的传输通道。以复合材料AlNbO4/APPC、CrNbO4/APPC和FeNbO4/APPC为对电极材料的DSSC,获得的PCE分别为7.31%、7.09%和6.93%,优于同等实验条件下Pt电极的PCE(6.84%),有望成为可替代铂催化剂材料。此外,对AlNbO4/APPC、CrNbO4/APPC和FeNbO4/APPC在Cu+/Cu2+电解质体系中的电催化活性进行了初步探索。其中,复合材料AlNbO4/APPC、CrNbO4/APPC以及FeNbO4/APPC在Cu+/Cu2+电解质、D35染料体系中取得的PCE分别为3.94%、3.79%及3.59%,优于同等实验条件下Pt电极以及对应铌基双金属氧化物组装的PCE。复合材料作为催化剂材料在Cu+/Cu2+电解质、D35染料体系中有一定的应用潜力。进一步地,将AlNbO4/APPC、CrNbO4/APPC和FeNbO4/APPC作为电催化剂应用于电化学析氢中,在1 M KOH电解液中表现出优异的电化学析氢性能以及电化学稳定性。AlNbO4/APPC、CrNbO4/APPC以及FeNbO4/APPC在电流密度为10m A cm-2时,过电位分别为131.6 m V、134.6 m V和160.6 m V,对应的Tafel斜率分别为54 m V dec-1,80 m V dec-1以及96 m V dec-1。
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