[发明专利]一种采用柚子皮衍生的生物质碳材料制备电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用柚子皮衍生的生物质碳材料制备电极材料的方法。

背景技术

良好的电催化剂必须具有高的比表面积、高的导电性、特殊的孔结构等。通常单一金属氧化物由于导电性较差，因此选用碳载体与其复合，提高其催化性能，但这要求金属催化剂与载体材料之间应具有较好的相互作用，否则会影响反应过程中电子的转移过程。如果以自身材料为牺牲模板制备金属/金属氧化物/碳复合材料，将会增加各组分之间的结合力，从而提高材料本身的电化学稳定性。因此采用绿色路线制备了一种柚子皮衍生的生物质碳材料，期间不引入额外的掺杂剂及活化剂，而是利用柚子皮自身固有金属(如Na、Mg、Ca等碱金属和碱土金属及Fe等杂原子)作为催化活性中心，催化石墨化碳的形成。并且柚子皮比表面积高、杂原子丰富(如Na、Mg、P、S、K、Ca、Fe等)，其中K的自活化作用，可以导致材料孔隙结构发达、吸附能力强。将柚子皮衍生的生物质碳材料应用于染料敏化太阳能电池对电极，电化学性能接近目前传统使用的基于Pt的纳米材料。本方法合成步骤少，成本低，简单绿色，合理利用自然界废弃物资源，是一种很有潜力的Pt对电极替代材料。

发明内容

本发明将公开简单绿色，成本低廉，导电性好，光电性能好，且电化学稳定的采用柚子皮衍生的生物质碳材料制备电极材料的方法。

本发明提供一种采用柚子皮衍生的生物质碳材料制备电极材料的方法，包括以下步骤：

1)剥离柚子，去掉可食的果肉部分，使用水果刀将柚子皮外壁部分去掉，留下中间柔软的白色部分，用果刀切成小块，放入容器中，置于烘箱中烘干；

2)将步骤1)中烘干的柚子皮用咖啡机磨成粉末，置于真空干燥箱中干燥，选用50目的筛子过筛；

3)从步骤2)中取2g 50目以下的的柚子皮粉末，放置在陶瓷舟中，并于惰性气体氛围下直接炭化，即在650～850℃条件下高温热解，(具体程序设置为：由室温升到300℃，升温速率：5℃/min；再由300℃升到650～850℃，升温速率：2℃/min；最后保持2h后自然降温)；

4)将步骤3)过程得到的得到的三种材料，分别用异丙醇分散，球磨5h左右，分别喷涂到导电玻璃上。

进一步地，在上述技术方案中，步骤1)中，选用天然生物质材料柚子皮，作为碳源前驱体，取材方便，成本低廉，过程简单，绿色环保，且具有良好的电化学稳定性。前驱体材料选用的是柚子皮外壁与果肉之间的柔软的白色部分，烘箱设置温度为100～120℃。

进一步地，在上述技术方案中，步骤2)中，真空干燥箱温度设置为100～120℃，时间为20～24h。

进一步地，在上述技术方案中，步骤3)中，惰性气体为氮气，热解时间2～3h。

进一步地，在上述技术方案中，步骤4)中，柚子皮衍生的生物质碳材料与异丙醇用量比为50～100mg：4～10mL。

进一步地，在上述技术方案中，所述碳材料的喷涂厚度为4～6μm。

进一步地，在上述技术方案中，步骤4)中,将喷涂后的导电玻璃150～200℃加热处理2～4h。得到对电极。

采用上述对电极组装成染料敏化太阳能电池，测试电池的光电性能，并对比相同条件下Pt对电极组装的太阳能电池。

发明有益效果

柚子皮比表面积高、杂原子丰富(如Na、Mg、P、S、K、Ca、Fe等)，其中K的自活化作用，可以导致材料孔隙结构发达、吸附能力强。因此采用绿色路线制备了一种柚子皮衍生的生物质碳材料，期间不引入额外的掺杂剂及活化剂，而是利用柚子皮自身固有金属(如Na、Mg、Ca等碱金属和碱土金属及Fe等杂原子)作为催化活性中心，催化石墨化碳的形成。本发明选用天然生物质材料柚子皮，作为碳源前驱体，取材方便，成本低廉，过程简单，绿色环保，且具有良好的电化学稳定性。将柚子皮衍生的生物质碳材料应用于染料敏化太阳能电池对电极，电化学性能接近目前传统使用的基于Pt的纳米材料。因此是一种很有潜力的染料敏化太阳能电池铂对电极的替代材料。

附图说明

图1为PP-850的SEM图((a)、(b)为表面照片，(c)为截面照片)；

图2为PP-850的EDS元素分析；

图3为PP-650、PP-750及PP-850的拉曼光谱；

图4为染料敏化太阳能电池的I-V曲线(对电极分别为Pt电极、PP-650、PP-750及PP-850，光阳极均为TiO₂)；