[发明专利]一种石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及一种石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于其转化效率高、成本低、制备工艺简单等优点已引起科研人员的广泛关注，是取代传统硅基太阳能电池的最佳选择之一。DSSCs主要由光阳极、I₃^-/I^-氧化还原电解质以及对电极三部分组成。其中对电极的主要作用是收集外电路中的电子以及催化电解质中I₃^-/I^-氧化还原电对的再生，保证电池稳定的能量输出。理想的对电极材料应同时具备好的电催化活性及导电性，因此贵金属铂作为一种高效的催化及导电材料常被用作DSSCs对电极。然而，铂作为一种贵金属在自然界中储量有限，价格昂贵，且极易被碘基电解质腐蚀，因此寻找一种储量丰富且催化活性高、导电性好的新材料来代替铂迫在眉睫。

聚苯胺是一种高分子导电化合物，其电催化活性高，在环境中能稳定存在，且制备过程简单价廉无污染，已被广泛用于DSSCs对电极。然而其相对较低的导电性却限制了DSSCs的能量转换效率。为解决这个问题，许多研究致力于发现优异的碳/聚苯胺复合材料。其中碳材料的引入大大提高了材料的比表面积以及导电性。然而调研文献发现，目前已成功制备的石墨烯/聚苯胺复合材料中，聚苯胺多无序的覆盖在碳材料表面，这种无序结构大大减小了聚苯胺的比表面积，并使其缺少定向的电子传输路径，限制了电化学过程中的电子传输与传质，并进一步限制了材料的电催化活性及导电性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料及其制备方法，其中，氧化石墨由于表面具有丰富的含氧官能团，可以作为聚苯胺成核及生长的锚定位点，且其机械性能优异，制备工艺简单价廉，因此被选作聚苯胺生长的基底；而生长在氧化石墨表面的聚苯胺纳米棒又进一步作为支撑，有效阻止了氧化石墨的团聚，从而形成了一个相互联系的开放结构，进一步加快了电化学过程中的传质速率，经过还原，得到石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料。

本发明的另一个目的是提供上述石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料在制备染料敏化太阳能电池对电极中的应用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明的第一方面，提供一种石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将氧化石墨分散于酸溶液中并进行细胞粉碎超声处理，得到氧化石墨分散液；

(2)将苯胺单体溶液加入到氧化石墨分散液中，在-5～-10℃条件搅拌，使混合均匀；再加入过硫酸铵的酸溶液，继续在-5～-10℃条件下搅拌，反应20～24h，过滤，得到氧化石墨/聚苯胺纳米棒状阵列复合物；

需要说明的是，该步骤中搅拌操作和反应温度的选择，对于氧化石墨/聚苯胺纳米棒状阵列复合物的形成至关重要，其中，一方面上述反应需在搅拌条件下进行，可以使反应过程中的苯胺单体与氧化石墨充分混合，使苯胺单体均匀聚合生长在氧化石墨表面；另一方面反应需在-5～-10℃的低温条件下进行，在氧化剂存在条件下，苯胺化学聚合是一个放热反应，其在常温条件下反应迅速，这使得苯胺单体很难定向生长为我们想要的阵列形貌，而是迅速聚合成分支杂乱的无序结构，降低其比表面积，减少反应活性位点，且其内部排列松散，难以形成完美的晶型结构，最终影响其传质速率及电子传输速率，进而影响材料的电催化活性及导电性。发明人经多次试验验证，发现在-5～-10℃的低温条件下进行反应，能够形成具有理想阵列形貌的复合材料，其比表面积、活性位点、晶型结构、传质速率和电催化活性等性能，与其他条件下制备的复合材料相比，均有显著的改善。

(3)将氧化石墨/聚苯胺纳米棒状阵列复合物中的氧化石墨还原为石墨烯，得到石墨烯/聚苯胺纳米棒阵列复合材料。

上述方法的步骤(1)中，氧化石墨与酸溶液的配比为(5～15)mg：(15～20)ml；细胞粉碎超声的时间分配为超声2秒，间隙1秒，总时间为20～40min。需要说明的是，在强酸性溶液中，氧化石墨极易团聚，若采用普通的超声，分散效果差，所需时间长，因此需选用细胞粉碎超声分散，可在较短的时间内(20-40min)得到理想的氧化石墨均匀分散液；超声时间分配为超声2s,间隔1s，若超声时间过长，可能对仪器产生损害，若间隔时间过长，则会影响分散效果，经多次试验验证，发现采用上述超声时间分配，其分散的效果最佳，而且不会对仪器产生损害。