负载型过渡金属碳化物催化剂的合成、表征及在染料敏化太阳能电池中的应用

Prepared supported catalysts is one of the effective paths to enhance the catalytic activity. This project aims to synthesize a class of supported catalysts of mesoporous carbon-supported early-transition metal carbides using metal chlorides as metal source for the counter electrodes (CEs) of dye-sensitized solar cells (DSCs). The carbide content of the supported catalyst can be regulated by adjusting the experimental conditions. The catalytic activities of different supported catalysts for catalyzing redox couples regeneration in the electrolyte are compared. The relationship of the content of carbides and the thickness of catalyst layer with catalytic activitiesis are also discussed. The as-prepared supported catalysts in DSCs are used as CEs to replace the expensive Pt to explore the practical effects of this kind of catalyst. Aging test, electrochemical impedance spectroscopy, and cyclic voltammetry techniques are used to characterize the long-term stability of the catalysts. The results of this project are of academic significance for designing new supported catalysts with the advantages of low cost, high efficiency, and good stability. This project will lay a solid foundation for the application of supported catalysts in DSCs by effectively reducing production costs and exhibiting some practical use.

制备负载型催化剂是提高催化性能的有效途径之一。本项目以金属氯化物作金属源为染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells,DSCs）对电极合成一系列以介孔碳为载体的负载型前期过渡金属碳化物催化剂。通过改变实验条件调控负载型催化剂中碳化物的含量。比较不同催化剂对催化电解液中氧化还原电对循环再生的性能并探讨碳化物的含量及电极催化层厚度与催化性能之间的关系规律。将合成的催化剂代替昂贵的铂对电极组装DSCs，考察催化剂在电池中的实际应用效果。通过电池的耐久性实验，电化学阻抗以及循环伏安技术表征催化剂的长期稳定性。研究成果对设计新型高效廉价稳定的负载型催化剂具有重要的学术意义，并为此类催化剂在DSCs中的实际应用奠定了基础，能有效降低DSCs的制作成本，因此具有一定的实用价值。

最近25年，染料敏化太阳能电池（DSCs）一直是光伏领域的研究热点，然而最近几年DSCs发展缓慢，主要表现在DSCs的效率提高较缓以及难以降低的制作成本。为了降低DSCs的成本和提高其效率，本项目合成了一系列碳化物来取代昂贵的铂电极。碳化物包括TiC, VC, NbC, TaC, Cr3C2, Mo2C, WC等。虽然这些碳化物表现出一定的催化活性，但其催化性能仍低于Pt。为了提高碳化物的催化性能和提高电池的效率，我们采取了两种方法。一是通过制备负载型催化材料来提高催化活性，即通过原位合成技术将碳化物分布在碳载体上，成功制备了介孔碳负载的碳化物，包括TiC-C, ZrC-C, HfC-C, VC-C, NbC-C, TaC-C, Cr3C2-C, Mo2C-C, WC-C。. 通过循环伏安、电化学阻抗，塔菲尔极化曲线技术表征了这些材料的催化活性。研究发现，对于不同氧化还原电对，这些负载型催化材料均表先出高于相应碳化物的催化活性，有些材料的催化活性甚至高于Pt。以VC-C,WC-C, Mo2C-C为对电极时，电池的能量转换效率达9.75%, 9.42%,9.19%, 明显高于以VC, WC, Mo2C为对电极时的电池效率（7.33%, 7.19,%, 6.44%）。二是通过调控碳化物的形貌来提高其催化活性。合成了三种形貌的Mo2C，即Mo2C纳米棒，纳米管和微球。研究发现Mo2C纳米管具有最高的催化活性，Mo2C微球次之，Mo2C纳米棒最差。以Mo2C纳米管为对电极时，电池效率达9.53%，高于以Mo2C和Mo2C纳米棒为对电极时的电池效率（8.70%, 6.97%）。. 由此可见，在染料敏化太阳能电池体系中，用碳化物取代Pt电极可降低DSCs的制作成本，通过负载和调控材料形貌可大幅提高碳化物的催化活性进而提高电池的效率。研究成果大大拓宽了染料敏化太阳能电池电极材料取材范围，降低了DSCs的制作成本，有利于其产业化发展。