石墨炔-无机纳米复合材料在染料敏化太阳能电池对电极的应用：机理探索及性能优化

The application aims at developing efficient, low-cost, and stable graphdiyne (GDY)-inorganic nanocomposites for counter electrodes of dye-sensitized solar cells (DSC). Due to the unique diacetylenic linkage of GDY, chemical bonding can be formed between GDYs and inorganic nanoparticles, which is favorable for electron transportation, resulting in enhanced electrochemical stability of inorganic nanoparticles. The electron exchange rate between I3- and counter electrode will also be increased as well. In this project, theoretical simulation will be carried out on novel GDY-inorganic nanocomposites. The interfacial charge transfer, reactive sites, adsorption behaviors, and electrocatalytic mechanisms of the composite materials will be explored. An applicable simulation method will be developed for electrocatalytic materials of the DSC counter electrodes. In addition, relevant experiments will be carried out to synthesize and character the optimized materials, exploring their structure-properties relationship. The combination of theoretical simulation with experiment results will be beneficial for investigation of electrocatalytic materials.

石墨炔具有独特的结构和优异的理化性能，它的出现为碳基复合材料的发展提供了新的机遇。本项目以开发廉价高效稳定的染料敏化太阳能电池（DSC）对电极材料为切入点，拟采用理论与实验相结合的方式，研究石墨炔-无机纳米DSC对电极复合材料。石墨炔独特的碳碳三键结构使其与无机纳米粒子有效键合，通过协同作用，一方面可增加复合材料的电子传输能力，从而增强材料的电化学稳定性；另一方面可加快I3-与对电极的电子交换速率，提高材料的电催化性能。本项目拟通过理论模拟研究“石墨炔-金属团簇”以及“石墨炔-金属硫化物”的表界面电荷转移、活性位点、吸附行为以及电催化机理等，建立一套较为通用的模拟DSC对电极材料的方法；结合理论研究进行实验制备，通过调节材料的复合方式、复合比例以及氮掺杂等方法调控材料的形貌和性能，制备两三种高效DSC对电极催化材料，探明其构效关系，为DSC对电极材料的定向设计及可控制备提供依据。

本项目围绕石墨炔及相关的体系，采用理论计算与实验研究相结合的方式，重点研究了石墨炔金属复合材料、少层石墨炔纳米材料的构效关系，另外，重点参与了阴离子吸附合成多壳层中空材料的吸附机理的研究。1）为了降低染料敏化太阳能电池（DSSC）对电极中贵金属铂的使用量，通过密度泛函理论计算研究了铂团簇与石墨炔基底的相互作用，电子转移行为，预测了其光电性能。在此基础上，通过真空离子溅射法制备了石墨炔与铂纳米粒子的复合材料，将其用作染料敏化太阳能电池的对电极材料，其光电转换效率可达6.35%，比同等条件下传统铂电极的7.24%略低，高于普通铂纳米粒子（5.39%）以及石墨烯/铂纳米粒子复合材料（5.94%）。这项工作为石墨炔在光电转换领域的应用开辟了方向。2）第一性原理计算结果表明石墨炔与染料分子的相互作用大于石墨烯与染料分子的相互作用。采用锂插层法对块体石墨炔进行剥离获得少层石墨炔纳米片，其具有高的荧光猝灭能力，以及对ssDNA与dsDNA不同的亲和力，实现了对多种DNA的实时检测，检测限低至25×10-12 M；采用溶液超声剥离法制得少层石墨炔，并以三聚氰胺作为氮源对其进行N原子掺杂，得到N掺杂的少层石墨炔纳米片，发现其在酸性和碱性条件下均具有优秀的ORR催化性能。3）由于多壳层空心材料的合成及其应用是本课题组的重要方向，重点参与了基于阴离子吸附合成多壳层中空材料的吸附机理探索，与常规的金属阳离子吸附机理不同，采用碳球模板基于金属阴离子吸附机理的制备手段，可以获得一系列多壳层金属氧化物中空微球(V2O5、MnO2、MoO3、Cr2O3、WO3等)，克服了以前实验方案的局限，极大地丰富了金属氧化物空心微球的类别。