炭气凝胶的结构调控及用于染料敏化太阳能电池对电极的高催化性能研究

高性能的非铂对电极是目前国内外染料敏化太阳能电池的重点研究对象。本项目以微乳液模板调控溶胶－凝胶聚合反应（MTSGP）法来制备炭气凝胶，通过控制凝胶反应时的单体配比、表面活性剂浓度等反应条件，实现对炭气凝胶孔结构的调控；以不同孔结构的炭气凝胶作为催化还原主体材料，制备柔性的炭气凝胶对电极，代替铂对电极用于染料敏化二氧化钛太阳能电池；利用循环伏安法、电化学阻抗谱图和扫描电化学显微镜等手段来研究炭气凝胶的孔结构与离子扩散能力和催化还原动力学的关系，揭示炭材料的孔结构影响炭材料催化还原的有效比表面积和炭对电极的催化还原活性的机理，为研发更高性能炭对电极提供实验和理论依据；同时以氮掺杂炭气凝胶作为催化还原主体材料，制备出高性能氮掺杂炭气凝胶对电极，研究掺杂体系的催化还原机理；同时从炭气凝胶的孔结构、对电极的聚集态结构和制备工艺三个方面进行优化，获得能代替铂对电极的高性能炭气凝胶对电极。

高性能的非铂对电极是目前国内外染料敏化太阳能电池的重点。. 本项目以炭气凝胶、炭黑和活性炭作为催化还原主体材料，制备了用于染料敏化太阳能电池（DSSCs）的柔性炭对电极。研究表明，炭气凝胶的中孔结构有利于碘三离子的扩散, 从而使其具有更大的有效比表面积，故炭气凝胶对电极的催化还原性能高于基于四倍比表面积的活性炭对电极。中孔的炭气凝胶更容易形成双电层电容，故基于其对电极的DSSC具有更高的开路电压。在合成有机气凝胶前驱体时，通过控制表面活性剂浓度条件，实现对炭气凝胶孔结构的调控。研究表明，孔径分布集中在10-20 nm时，其对电极具有较好的催化还原活性。该研究工作获得了一项专利授权，同时部分工作发表在国内外知名期刊“J Phy Chem C”、“J Mater Sci”和“Acta Chim Sinica”，另外还有一部分工作正在整理之中。. 在合成有机气凝胶前驱体时，加入一定量的三聚氰胺代替间苯二酚，从而合成得到氮掺杂有机气凝胶，炭化后得到氮掺杂炭气凝胶。研究结果表明，随着氮含量的增加，氮掺杂炭气凝胶的孔径减小，中孔体积分数增加，这导致其对电极的具有更低的电荷传输电阻。同时，由于氮掺杂炭气凝胶的极性增大，故基于聚偏氟乙烯粘合剂的氮掺杂炭气凝胶对电极比基于PTFE粘合剂的对电极具有更高的电催化活性。基于优化后的氮掺杂炭气凝胶对电极的DSSCs的光电转换效率达到了8.83%，而相同条件下基于铂对电极的DSSCs却只有8.61%。该研究工作已投到国际知名期刊“Carbon”，目前已返回修改意见，正在修改中。. 同时，我们还拓宽了太阳能电池相关领域的研究，除了研究染料敏化太阳能电池用炭气凝胶对电极外，我们还优化了DSSCs的器件制备工艺，这部分工作发表在“Acta Chim Sinica”和 “Nano”等期刊上；合成了一系列用于染料敏化太阳能电池的新型有机染料敏化剂，这部分工作发表“Sol Energ Mater Sol C”和“Dyes Pigments”等期刊上；合成了几个系列的聚合物光伏材料，这些工作发表在“Chem Comm”、“Macromolecules”、“J Mater Chem”、“J Polym Sci A: Polym Chem”和“Eur Polym J”等知名期刊上，这些工作为研究聚合物太阳能电池奠定了一定的基础。