检索结果-南通市图书馆

作者：高晨静河北师范大学

学位级别：硕士

染料敏化太阳能电池(DSCs)对电极主要是负责收集外电路电子以及催化电解液中电对的循环再生。最常用的对电极材料是贵金属Pt。然而Pt是一种稀有资源、价格昂贵。Pt电极的使用是DSCs成本居高不下的主要原因之一。此外,对电极催化活性的... 详细信息

染料敏化太阳能电池(DSCs)对电极主要是负责收集外电路电子以及催化电解液中电对的循环再生。最常用的对电极材料是贵金属Pt。然而Pt是一种稀有资源、价格昂贵。Pt电极的使用是DSCs成本居高不下的主要原因之一。此外,对电极催化活性的高低在一定程度上影响电池效率。因此,发展高效低成本的对电极是DSCs发展所面临的重大科学问题之一。再者Pt是国防、化工、能源等领域的催化剂,是一种战略资源。因此,紧密围绕我国新能源战略和稀有资源战略,设计廉价高效的对电极材料替代Pt具有重要的科学研究价值。碳材料具有成本低、导电性好、催化活性高、来源丰富等特点使其成为替代Pt的理想催化剂。本论文围绕设计合成新型碳材料、碳材料的性能优化及在DSCs中的应用开展研究。首先合成了一种特殊形貌的碳材料-纳米碳珠链(CBS),并将其作为对电极应用于DSCs中。CBS由直径为400 nm的碳珠串连而成,这种碳对电极材料对传统的I/I电对表现出略低于Pt的催化性能,电池效率达到6.92%。值得关注的是,CBS对电极在新型有机硫(T/T)电解液中表现出优于Pt的催化性能。氮吸附-脱附、电化学分析测试、SEM、TEM等测试结果表明CBS的这种高催化活性归因于其较大的比表面积、宽松的电解液扩散通道、较低的还原电位、较小的传荷电阻和扩散电阻等一系列优秀的电极性质。同时,本工作制备了粒径均一的纳米碳球(CS)。这种碳球在Co/Co电解液中表现出较高的催化活性,电池效率达8.50%。为了进一步提高CS的催化活性,开发了一种以顺磁FeO纳米粒子为核,碳球(CS)为壳的具有核壳结构的CS@FeO对电极材料,这种材料可直接吸附在磁性衬底上作电极使用。实验结果表明CS@FeO磁性电极的催化活性明显高于FeO和CS。当以CS@FeO为对电极时,电池效率提高到10.71%。电化学分析测试证明电极自身的磁场有利于电极与电解液界面之间传荷过程以及电解液的传质过程。为了进一步证明磁性电极可提高电池的催化活性,将FeO负载在介孔碳(Com)上合成了另外一种磁性电极材料Com@FeO。研究结果证明这种磁性材料也表现出高于FeO和Com的催化活性,电池效率达9.70%。总之,合成的新颖的纳米碳珠链和纳米碳球均表现出较高的催化活性,是很有潜力的DSCs对电极材料。而赋予电极磁性能有效提高电极的催化活性,研究成果为降低电池成本和提高电池效率开辟了一条新途径。

关键词：染料敏化太阳能电池对电极碳磁性核壳碳材料

碳纤维负载过渡金属氮化物材料的制备及其在锌空气电池上的应用

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碳纤维负载过渡金属氮化物材料的制备及其在锌空气电池上的应用

作者：杨文璐河北师范大学

学位级别：硕士

锌-空气电池(ZABs)及氢燃料电池得益于其高能量密度、成本低廉、环境友好等特点,更适应当前社会的发展,成为了十分有发展前景的新能源。在ZABs运行过程中,氧还原反应(ORR)作为ZABs工作过程中关键性的反应,其反应速率的快慢对电池的性能... 详细信息

锌-空气电池(ZABs)及氢燃料电池得益于其高能量密度、成本低廉、环境友好等特点,更适应当前社会的发展,成为了十分有发展前景的新能源。在ZABs运行过程中,氧还原反应(ORR)作为ZABs工作过程中关键性的反应,其反应速率的快慢对电池的性能起决定性作用。ORR作为一个多电子转移的反应,具有电化学反应动力学缓慢的特点,这一特点在实际应用中大大降低了电池的性能。在发展ZABs过程中,目前贵金属Pt被认为是最理想的催化剂,但是考虑到后续发展的持续性以及实用性,开发新型高效廉价的催化剂来替代Pt是当下的研究重点。目前开发的非贵金属催化剂既要兼顾保证其性能与贵金属催化剂相媲美,同时还需要保证非贵金属替代贵金属催化剂时需要解决的成本问题以及使用寿命问题,这是当下研究中主要需要考虑的问题。催化剂中时常会出现非贵金属活性位点团聚、不耐腐蚀等问题,针对于上述问题的出现,本研究通过将活性位点分散于在导电性良好、稳定性良好的载体上,与此同时,将活性位点包覆其中也提升了催化剂的耐腐蚀性。其中,过渡金属负载于碳纳米纤维材料作为新型复合碳材料由于其金属活性物质与碳纳米纤维的协同作用最终催化剂呈现出优异的性能而得到了许多研究者的青睐。本文针对以上方向做出的研究如下:第一个工作:通过前期的文献调研工作,当下负载催化位点优选载体有碳纳米管、石墨烯、碳纤维等,考虑到材料的制备成本及合成工艺的可调整性,在本实验我们采用静电纺丝技术来制备催化剂活性位点载体材料。为了保证合成的催化剂活性能够媲美贵金属催化剂的催化性能,我们采取了氮掺杂、单金属负载氮掺杂、双金属负载氮掺杂等一系列对比实验,通过实验我们发现当材料同时进行氮掺杂及双金属负载时,合成的材料体现出最好的电催化性质:在1 M KOH氧饱和电解液中进行测试,ORR的半波电位为0.86 V ***,除此之外,在与上述相同的相同测试条件下,OER和HER在10 m A·cm电流密度下的过电位分别为0.39 V和0.25 V。该性能结果显示实验通过氮掺杂对电子分布的调控增加材料的缺陷程度、双金属的协同作用保证三效催化的性能合成得到催化剂具有最好的催化性能。值得一提的是,将该催化剂应用于ZABs的阴极催化剂和电解水阴阳两极催化剂当中都展现出了优异的稳定性:该催化剂作为阴极催化剂组装成的ZABs能够持续稳定循环210 h;该催化剂应用于电解水中能够保证在10 m A·cm电流密度下相对稳定地催化反应110 h(保持率达到98.8%)。第二个工作:我们采用同轴静电纺丝技术制备了非金属中空多孔碳纤维材料。在看到第一个实验材料的局限性后,我们发现更大比表面积的材料得益于其能使得负载其上的活性位点与电解液接触得更充分,通常情况下表现出更高的催化性能。由此,我们设计合成一种中空多孔的材料来大大提升材料的比表面积,从而提升催化材料的性能。该材料在碱性条件下表现出对ORR有一定的催化效果:在0.1 M KOH氧饱和的电解液中测试表现出0.81 V的半波电位(E)和5.84 m A·cm的极限电流密度。将该催化剂应用于自组装的锌-空气电池中展现出优异的储能特性:运行时最大的功率密度在178 m A·cm放电功率密度下可达到10 m W·cm。第三个工作:我们采用同轴静电纺丝技术制备了过渡金属掺杂的中空多孔碳纤维材料。在总结前面两个实验经验后,我们发现将活性物质负载于导电性及比表面积均优异的载体材料上可以在很大程度上提升材料的催化性能。由此,我们通过设计合成一种活性物质负载在中空多孔碳纤维材料上来达到提升催化材料性能的目的。该材料在酸性碱性条件下均表现出对ORR一定的催化效果:在0.1M KOH氧饱和的电解液中测试表现出0.89 V的半波电位(E)和5.64 m A·cm的极限电流密度;在相同条件的0.1 M HCl O电解液中,催化ORR的半波电位为0.73 V。将该催化剂应用于自组装的锌-空气电池中展现出优异的储能特性:运行时最大的功率密度可达到172 m W·cm,在10 m A·cm电流密度下测定的电池比容量高达904.5 mAh·g。

关键词：碳纳米纤维静电纺丝技术氧还原反应过渡金属负载锌-空气电池电解水

碳球的制备优化及其在染料敏化太阳能电池中的应用

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碳球的制备优化及其在染料敏化太阳能电池中的应用

作者：朱亚婧河北师范大学

学位级别：硕士

染料敏化太阳能电池(DSCs)是一种理想的光电转换器件,近年来一直是光伏领域的研究热点。DSCs由三部分组成,即光阳极、对电极和电解液。对电极作为DSCs体系中的重要组成部分,主要负责催化再生电解液中的氧化还原电对。贵金属铂(Pt)因具... 详细信息

染料敏化太阳能电池(DSCs)是一种理想的光电转换器件,近年来一直是光伏领域的研究热点。DSCs由三部分组成,即光阳极、对电极和电解液。对电极作为DSCs体系中的重要组成部分,主要负责催化再生电解液中的氧化还原电对。贵金属铂(Pt)因具有良好的催化活性成为DSCs中理想的对电极材料,然而Pt的储量有限且价格昂贵,限制了其在DSCs中的广泛应用,因此为了克服这些不足,急需开发一种廉价高效的非Pt对电极催化材料。常见的非Pt对电极材料为碳材料,如活性炭、炭黑、有序介孔碳、石墨烯、碳纳米管、富勒烯等,其优点为成本低、导电性高、原料来源丰富。而本文合成的碳球,除具有以上碳材料的优点外,还具有均一性、高热稳定性、较大的比表面积等优点。本文主要从两个方面着手:一方面是设计并合成了一种新型对电极材料纳米碳球(CS),用来替代Pt作为DSCs的对电极;另一方面通过合成碳球载Pt(Pt/CS)这种复合型对电极来取代Pt电极,这种复合型对电极可减少Pt的用量。具体来讲,本文采用水热法合成了一种单分散的实心碳球(SCS),这种碳球大小均匀,粒径为420 nm,比表面积达380.97 m2g-1,基于这种碳球对电极的DSCs能量转换效率达到了8.60%,但仍低于以Pt为对电极的DSCs的能量转换效率9.41%。为了提高碳球的催化性能,我们进一步合成了粒径为250,320和550 nm的碳球,研究发现粒径为250 nm的碳球催化活性最高,这是因为这种碳球有更大的比表面积454.47 m2g-1,因此能够提供更多的催化活性位点,对应DSCs的效率达到了9.32%。由此可见,粒径为250 nm的碳球的催化性能与Pt十分接近。此外,为了进一步提高CS的催化性能,我们通过原位合成法制备了Pt/CS这种复合型对电极催化材料,并表征了Pt的负载量对其催化活性的影响。实验结果证明,当Pt的负载量为2.1 wt%时,Pt/CS的催化活性最高,基于此对电极的DSCs效率达9.05%,既高于以Pt为对电极的DSCs的效率(8.42%),又高于以CS为对电极的DSCs的效率(6.70%)。为了进一步验证Pt/CS的高催化性能,我们通过电化学阻抗实验测得Co在Pt/CS电极上进行氧化还原反应的活化能为26.55 kJ mol-1,均低于Pt的34.25和CS的37.03 kJ mol-1,从根本上说明了Pt/CS高催化活性的原因。因此,这种将Pt纳米粒子负载到CS表面的方法既可以减少Pt的用量,又可以提高材料的催化活性。综上所述,本文通过水热法和原位合成法成功制备了两种不同的非铂对电极催化材料——实心碳球(SCS)和复合型载Pt碳球(Pt/CS),极大地扩展了对电极催化材料的选择范围,同时降低了染料敏化太阳能电池的制作成本,使其在太阳能电池中更具竞争力。

关键词：染料敏化太阳能电池对电极催化碳球负载

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面向超级电容器的碳球电极的合成和优化

面向超级电容器的碳球电极的合成和优化

作者：王红蕊河北师范大学

学位级别：硕士

超级电容器根据不同的工作机制可分为电双层电容器(EDLCs)和赝电容器。在EDLCs中,电荷存储在电极与电解质间的界面处,形成电双层。赝电容器电极的电活性部位经常伴随着可逆的氧化还原反应,与典型的法拉第电荷转移过程相关。EDLCs的充放... 详细信息

超级电容器根据不同的工作机制可分为电双层电容器(EDLCs)和赝电容器。在EDLCs中,电荷存储在电极与电解质间的界面处,形成电双层。赝电容器电极的电活性部位经常伴随着可逆的氧化还原反应,与典型的法拉第电荷转移过程相关。EDLCs的充放电机制使其具有充放电过程快、循环寿命长、倍率性能好、功率密度高(>10 kw kg)等优点,因此这种超级电容器是便携式电子设备、冷起动助手和电动汽车等领域极具发展潜力的理想储能器件。本文主要围绕EDLCs电极材料开展研究。在EDLCs中,碳材料具有比表面积大、电导率高、稳定性好、来源丰富等优点,被认为是最有前途的电极材料。比如介孔碳、活性炭、碳纳米管、石墨烯等已被广泛用于EDLCs。近年来,超级电容器技术的发展和应用,使人们对碳材料的性能提出了更高的要求。为此,本实验为超级电容器制备了一种粒径为400 nm的实心碳球(SCS)电极,并通过循环伏安、恒电流充放电、电化学阻抗等手段表征了这种电极材料的电化学行为。这种碳球在酸性电解液中的比容量达到166.5 F g。为了提高SCS的电化学性能,通过改变实验条件合成了不同粒径的实心碳球。研究发现随着粒径的减小,SCS的比容量增大,直径为250 nm的SCS的比容量达到207.5F·g。此外,本实验进一步通过形貌调控和元素掺杂改善碳球电极的性能。合成了表面开口空心碳球(SO-HCS)、空心碳球(HCS)以及氮掺杂碳球(NCS),并表征了这几种碳球在酸性水基电解液中的电容行为。其中SO-HCS、HCS以及NCS的比容量分别达到272.2,、210.8以及195.6F·g,均远高于SCS的容量。SO-HCS的高活性来自于这种独特的表面开孔结构。表面开口为电解液提供了较为疏松的通道,使其能顺利扩散到碳球内部,能与电解液更充分的接触,从而为电荷储存提供了更多的活性位点。此外,在10000次充放电循环后,SO-HCS、HCS、NCS和SCS电极均表现出良好的循环稳定性,均超过其初始电容的90.0%,SO-HCS的保持率更是达到96.9%。总之,本研究为超级电容器发展了一种碳球电极材料,证明了通过粒径调控、特殊结构设计、元素掺杂均可有效改善电极性能。研究成果对设计新型高效的超级电容器碳电极材料具有一定的指导意义。

关键词：超级电容器碳材料碳球形貌调控

负载型Mo2C/CF复合材料的制备及在超级电容器中的应用

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负载型Mo2C/CF复合材料的制备及在超级电容器中的应用

作者：高敏河北师范大学

学位级别：硕士

传统燃料的消费会导致CO大量排放、气候变化和严重的环境污染。为实现经济的可持续增长和环境平衡,寻求清洁可再生能源至关重要。大多数电池都存在着低功率传输的问题,不能满足更快、更高功率的能量需求。超级电容器是一种能提供比电池... 详细信息

传统燃料的消费会导致CO大量排放、气候变化和严重的环境污染。为实现经济的可持续增长和环境平衡,寻求清洁可再生能源至关重要。大多数电池都存在着低功率传输的问题,不能满足更快、更高功率的能量需求。超级电容器是一种能提供比电池更高功率密度的电化学储能装置。影响其性能的因素众多,电极材料是其中最主要的因素。目前常见的电极材料多为单一材料,常见的双电层材料虽电化学稳定性较高,循环寿命长,但理论比容量低,赝电容材料具有理论比容量高的优点,但其循环稳定性较差。复合材料一般具有较高的比容量和较好的循环稳定性,故复合材料的研究成为电容器研究的热点。本文以聚丙烯腈(PAN)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为原料,利用静电纺丝法制备碳纤维(CF),以四水钼酸铵、葡萄糖为原料,利用溶胶凝胶法制备碳化钼(MoC),利用静电纺丝法和球磨法两种方法制备MoC-CF和MoC/CF复合材料。为研究电极材料在不同电解液中的电化学性能,故在1M HSO、1M KOH和1M NaSO电解液中均进行测试。研究发现在1M HSO电解液中,MoC-CF、MoC/CF有一对比MoC更加明显的氧化还原峰,复合材料MoC-CF、MoC/CF等效串联电阻(R)为0.8Ω、0.9Ω,低于MoC的等效串联电阻(4Ω),证明复合材料阻值较小。当电流密度为0.25 A g时,MoC的比电容仅为64.7 F g,而负载型电极材料MoC-CF、MoC/CF的比电容可达270.0和298.8 F g。在5.0 A g电流密度时,复合材料放电比容量为118.8,100.0 F g远高于MoC的21.2 F g。由此可见,复合材料具有较好的倍率性能。在1.0 A g电流密度下经过10000次恒流充放电后复合材料的容量保持率分别为87.39%、91.53%,高于CF的79.81%,以及MoC的41.08%,表明复合材料具有较好的电化学稳定性。由此可见,制备负载型超级电容器电极材料是一条提高器件比容量和稳定性的潜在途径。

关键词：超级电容器电极材料碳纤维碳化钼复合材料

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硼元素掺杂碳纤维及其电化学性能的优化

硼元素掺杂碳纤维及其电化学性能的优化

作者：高晶河北师范大学

学位级别：硕士

碳材料由于具有来源丰富、合成方法简单、价格低廉等优点被广泛的应用在能量转换与储能器件领域。其中碳纤维材料因具有独特的一维结构、良好的导电性、导热性、耐腐蚀性等优点在一众碳材料中脱颖而出并引起广泛关注。然而未经修饰的碳... 详细信息

碳材料由于具有来源丰富、合成方法简单、价格低廉等优点被广泛的应用在能量转换与储能器件领域。其中碳纤维材料因具有独特的一维结构、良好的导电性、导热性、耐腐蚀性等优点在一众碳材料中脱颖而出并引起广泛关注。然而未经修饰的碳纤维在能量转换与储能器件中表现不尽人意,所以,本论文采用高压静电纺丝技术合成了系列碳纤维材料。通过控制前驱体浓度、电压、流速等参数实现了纤维直径的精细调控。并以硼酸三丁酯为硼源制备了不同硼掺杂浓度的碳纤维,考察了硼掺杂浓度对润湿性、导电性、比表面积等与电化学性能密切相关参数的影响。最后探究了碳纤维作为电极活性材料在超级电容器、氧还原体系、光电容器等能量转换与储能器件中的实际应用效果。所取得的实验结果如下:(1)研究发现碳纤维的直径可通过电压来进行调控,随着对聚合物溶液施加的电压增大,体系的静电力增大,液滴分裂能力相应增强,纤维直径逐渐减小,通过控制电压,成功合成了直径在200 nm～300 nm之间的碳纤维材料。同时制备了不同硼掺杂浓度的碳纤维材料。(2)在超级电容器三电极体系中,考察了纤维材料在锂系电解液中(1 mol L酸性LiSO、1 mol L中性LiSO、1 mol L Li OH)中的储能效果。研究发现碳纤维电极材料在酸性LiSO溶液中表现出最高的电化学性能,电流密度为1A g时,未掺杂硼元素的碳纤维放电比容量为144.41 F g。而硼掺杂碳纤维放电比容量均高于未掺杂的电极材料,其中硼酸三丁酯的加入量为5.00 m L时,放电比容量最大,达到280.23 F g,性能提高了一倍。此外,在经过10000圈的循环稳定性测试后,比电容保持率为93.98%。由于硼元素的引入导致了硼对相邻碳原子产生了电荷极化,打破了电极材料的电中性条件,并且还可以利用纤维材料的空间网状结构,促使电子快速移动,因此实现了电极材料的能量密度与功率密度的提升。(3)在氧还原(ORR)体系中,几种掺杂硼元素的碳纤维电极材料均表现出比碳纤维优异的ORR特性,在同等条件下碳纤维体系的半波电位是452.93 m V(vs RHE),而当硼酸三丁酯加入量为5.00 m L时,半波电位达到体系中的最大值为609.22 m V(vs RHE),反应为二电子与四电子的混合过程,过氧化氢产率最低。(4)在以染料敏化太阳能电池为能量转化部、超级电容器为储能部的光电容器自充电集成器件中,碳纤维材料也表现较高的电化学性能。在染料敏化太阳能电池中,以碳纤维为对电极时,电池效率仅有1.19%;而硼掺杂可明显提高碳纤维电极的催化活性,当硼酸三丁酯的加入量为5.00 m L与7.50 m L时,电池效率分别达到2.38与2.49%;在对称结构的固态超级电容器中,当硼酸三丁酯的加入量为5.00 m L时,电容器的放电比容量达到41.15 F g,明显高于未掺杂的电容器容量24.79 F g。此外,硼掺杂电极在电容器器件中也表现出很高的稳定性,经过2000圈充放电循环后,容量保持率为84.20%。最后利用制备的纤维电极材料组装光电容器,并对该集成器件进行光充电,然后在黑暗环境下以0.10 A g将其恒流放电,放电时间最长可达60s。综上所述,本论文制备了系列的碳纤维材料,探索了前驱体浓度、流速、电压等实验条件对纤维直径的影响,并通过硼掺杂对碳纤维材料改性,证明了元素掺杂是一种改进碳纤维电极电化学性能的有效途径。最后初步探索了碳纤维在超级电容器、ORR体系,光电容器中的应用效果。研究成果对开发廉价、高效的超级电容器、燃料电池、光电容器电极材料有一定的参考价值。

关键词：碳纤维元素掺杂超级电容器氧还原反应自充电集成器件

V基超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究

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V基超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究

作者：胡在欣河北师范大学

学位级别：硕士

超级电容器(又称电化学电容器),具有功率密度高,循环稳定性好以及充电/放电速率快等优点,是比较有前景的储能器件。而电极材料的性质是决定超级电容器性能的关键因素。这就要求电极材料不仅合成简单、环境友好,而且还需要具备良好的电... 详细信息

超级电容器(又称电化学电容器),具有功率密度高,循环稳定性好以及充电/放电速率快等优点,是比较有前景的储能器件。而电极材料的性质是决定超级电容器性能的关键因素。这就要求电极材料不仅合成简单、环境友好,而且还需要具备良好的电化学性能。常见的超级电容器电极材料主要包括碳材料、金属化合物以及高分子导电聚合物等。然而,单组分电极材料往往不能克服自身的缺陷而难以满足实际应用的需求。因此构建复合电极材料成为超级电容器研究领域的热点,利用不同材料的协同效应可有效提高电极材料的电化学性能。本论文合成了两种过渡金属化合物VO和VC电极材料。为了提高材料的电容性能,进一步将这两种化合物颗粒负载到介孔碳(MC)载体上,合成了复合电极材料介孔碳负载氧化钒(VO@MC)和介孔碳负载碳化钒(VC@MC)。通过XRD、SEM、TEM、N吸脱附等表征方法对所制备的电极材料的微观结构和形貌进行表征分析。此外,通过循环伏安法(CV)、恒电流充电/放电(GCD)和电化学阻抗(EIS)等电化学手段对所制备的材料进行电化学性能的研究。VO@MC复合电极材料的电化学性能。实验结果表明,在1M NaSO电解液中,VO@MC复合电极与单独的VO相比具有更高的比容量,在电流密度为0.25 A g和1.00 A g时分别达到354.9 F g和301.5 F g;VO@MC在1000次恒流充放电循环后保留率高达97.6%,而VO容量保持率仅仅为26.5%。在1M HSO电解液中测试的VO@MC电极最大比容量可以达到189.2 F g,比VO增大了约59.2 F g。在对其进行1000次循环性能测试后,VO@MC表现出高的电容保持率(89.3%),而VO保持率仅为7.0%。以上优异的性能证明了VO@MC复合材料在超级电容器的应用中可以成为一种有前景的电极材料。VC@MC复合电极材料的电化学性能。测试得出在1.00 A g电流密度下,VC电极材料在不同电解液:1M HSO、1M NaSO、1M KOH中比电容分别达到95.6、111.0和74.4 F g。VC@MC复合材料由于具有介孔结构和高比表面积的特性,因此可以有效地容纳电解质离子迁移并且加速电子转移。VC@MC电极在三种电解液中比容量分别高达191.2、169.8和150.4 F g,在循环性能测试后容量保持率为91.4%,87.4%和87.5%。因此,VC@MC复合电极材料相对于单组分材料表现出优异的比电容、倍率性能及循环稳定性。综上,本论文研究制备的复合电极材料表现出优于单一电极材料的电化学性能,丰富了超级电容器电极材料的研究内容,这说明了合成负载型复合材料是提高电极电化学性能的有效途径。

关键词：超级电容器碳化钒氧化钒复合

金属硫化物的合成及其在量子点敏化太阳能电池中的应用

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金属硫化物的合成及其在量子点敏化太阳能电池中的应用

作者：郑海阔河北师范大学

学位级别：硕士

量子点敏化太阳能电池(QDSC)是近几年新兴的一种太阳能电池。由光阳极、电解液、对电极三部分构成。在对电极材料中,Pt因其较强的催化性和导电性,成为广泛使用的对电极材料。然而,Pt价格昂贵、与硫化物电解液有很强的键合作用,限制了Pt... 详细信息

量子点敏化太阳能电池(QDSC)是近几年新兴的一种太阳能电池。由光阳极、电解液、对电极三部分构成。在对电极材料中,Pt因其较强的催化性和导电性,成为广泛使用的对电极材料。然而,Pt价格昂贵、与硫化物电解液有很强的键合作用,限制了Pt在QDSC中的应用。为了打破QDSC对电极材料选取的桎梏,开发新型对电极材料已迫在眉睫。金属硫化物材料具有较强的稳定性和较高的催化能力,是最有希望替代贵金属Pt的材料。本文主要从两方面入手,首先制备ZnO列阵;其次,合成金属硫化物材料并应用于ZnO列阵中。具体操作如下:首先,合成棒状ZnO列阵,并通过控制化学浴沉积(CBD)的条件,使ZnO吸附CdS量子点,以CuS作为对电极。经测试发现:生长时间为1.5 h,ZnO的长度为2.40μm时,效率最优——1.83%。在后续的对电极测试中将使用此条件下的光阳极。其次,利用水热法制备球形的FeS、CoS、NiS、ZnS以及花片球形的CuS,粒径分别为:10μm、1μm、200 nm、300 nm以及3μm。组装成以ZnO为光阳极、金属硫化物为对电极的QDSC。经测试:除导电性差的ZnS效率(0.14%)要低于Pt(0.3%),其余硫化物电极效率均高于Pt电极,其中NiS表现出最优的电池效率——2.45%。综上所述,本文成功合成出一系列硫化物对电极材料,在一定程度上拓宽了QDSC对电极材料的选取范围,降低了QDSC的生产成本,使大面积生产QDSC成为可能。

关键词：量子点敏化太阳能电池 ZnO光阳极对电极金属硫化物

过渡金属氮化物和碳化物的合成及在染料敏化太阳能电池中的应用

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过渡金属氮化物和碳化物的合成及在染料敏化太阳能电池中的应用

作者：郭红月河北师范大学

学位级别：硕士

对电极是染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells,DSCs)的重要组成部分,Pt是最常用的对电极催化剂,起到催化剂的作用,但由于贵金属Pt价格昂贵且储量有限,因此需要寻找理想的催化材料来代替Pt作为对电极催化剂应用到DSCs中。本... 详细信息

对电极是染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells,DSCs)的重要组成部分,Pt是最常用的对电极催化剂,起到催化剂的作用,但由于贵金属Pt价格昂贵且储量有限,因此需要寻找理想的催化材料来代替Pt作为对电极催化剂应用到DSCs中。本文主要合成了氮化物和碳化物并将其作为对电极催化材料应用于DSCs,并且通过循环伏安、塔菲尔极化曲线、电化学阻抗和J-V测试等技术手段说明了形貌对氮化钒和碳化钼的催化性能的影响。首先,利用金属氯化物-尿素法成功合成了氮化铌和碳化铬,并通过调控反应物的用量和使用多种方法制备出了一系列的不同形貌的氮化钒和碳化钼。系统研究了材料的种类及微观结构与催化性能之间的关系。然后通过循环伏安、塔菲尔极化曲线、电化学阻抗测试对催化材料在不同电解液I3-/I-、T2/T-和Co3+/Co2+中的表现进行了研究。发现这些非铂催化材料,豌豆型氮化钒(VN-peas)、小立方体氮化钒(VN-S)和大立方体氮化钒(VN-L)在T2/T-电解液中,纳米管碳化钼(Mo2C-Nt)在Co3+/Co2+电解液中都获得了比铂还要好的催化活性,说明开发的非铂催化材料不仅适用于传统的碘氧化还原对体系也适用于新型有机氧化还原对和Co3+/Co2+氧化还原电对体系。如Mo2C-Nt组装的DSCs在Co3+/Co2+电解液获得了比Pt对电极的效率(9.41%)稍高的电池效率9.53%。综上所述,本论文合成了一系列非铂催化材料,并将其用于染料敏化太阳能电池中,极大扩展了对电极催化材料的选择范围,同时降低了染料敏化太阳能电池的制作成本,使得其在太阳能电池中更具有竞争力。

关键词：对电极催化剂氮化物碳化物新型有机电解液 Co3+/Co2+电解液

二维层状Ti3C2超级电容器电极材料的合成及优化

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二维层状Ti3C2超级电容器电极材料的合成及优化

作者：朱彦安河北师范大学

学位级别：硕士

超级电容器以其功率密度高、充电时间短以及循环稳定性良好等优势成为有应用前景的储能器件。超级电容器作为一种储能器件,存储能量的能力在很大程度上取决于电极材料的性能。TiCTx(Tx为表面活性基团)作为一种新型二维过渡金属碳/氮化... 详细信息

超级电容器以其功率密度高、充电时间短以及循环稳定性良好等优势成为有应用前景的储能器件。超级电容器作为一种储能器件,存储能量的能力在很大程度上取决于电极材料的性能。TiCTx(Tx为表面活性基团)作为一种新型二维过渡金属碳/氮化物层状材料,已被证实是一种电化学性能优异的插层赝电容型超级电容器电极材料。然而,目前TiCTx均由氢氟酸及各类含氟盐等刻蚀剂合成,因此刻蚀过程中不可避免地存在-F等表面基团。研究表明这些基团团聚在TiCTx表面限制了它电化学性能,使其没有达到理论的比容量。本工作首先通过HF和HCl/LiF刻蚀前驱体TiAlC制备出具有丰富表面基团的TiCTx(HF-48、HF-72、HCl-6M和HCl-9M),经过XRD、SEM、和EDS等表征发现,相较HF-48、HF-72和HCl-9M,HCl-6M的-F基团含量较低,层间距离较大。利用循环伏安法(CV)、恒电流充电/放电(GCD)和电化学阻抗(EIS)等电化学测试手段对电极材料进行电化学性能研究,结果表明:在1M HSO电解液中HCl-6M的比容量达到303 F g,明显高于HF-48、HF-72和HCl-6M的比容量(分别为:112 F g、198 F g、143 F g)。同时,HCl-6M的倍率性能和循环稳定性也最好,这主要是因为HCl-6M中-F含量较低,层间距较大,有利于离子的快速传输,且其氧化还原反应的可逆性强。这些结果说明TiCTx的电化学性能主要受表面基团的含量和层间距大小的影响。本文还探究了电解液对TiCTx电化学性能的影响,测试结果表明,在HSO电解液中其比容量远高于在KOH或NaSO电解液中的比容量,这是由于TiCTx在HSO电解液中会产生赝电容,是典型的插层赝电容材料。以上研究结果为接下来的TiCTx的表面修饰奠定了基础。本工作进一步通过修饰TiCTx的表面结构及增大层间距离来进一步优化其电化学性能。经过碱处理及热处理后的KOH-400-TiC层间距增大、-F含量大大降低,其比容量达到405 F g远高于未修饰的TiCTx的比容量303 F g。在10000次充放电循环后,KOH-400-TiC比容量保持率为96.1%,远高于HCl-6M电极的比容量保持率79.7%。KOH-400-TiC电化学性能明显提高,得益于表面-F基团含量的减少,降低了基团表面的团聚;层间距变大,层间变得均一稳定,利于离子进入层间。本论文研究讨论了影响TiCTx超级电容器电极材料性能的诸多因素,得出增大层间距和减少表面-F基团含量可有效改善TiCTx电极性能这一结论。本论文拓宽了TiCTx超级电容器电极材料的研究领域,为TiCTx类材料的表面修饰提供了一些经验,增加了TiCTx电极材料应用到超级电容器中的可能性。

关键词：超级电容器 Ti3C2 表面修饰比容量