CN105405663A - 一种MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法 - Google Patents

一种MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法，首先采用三电极电化学沉积体系，以氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液为电解液，直接在FTO导电玻璃上电沉积氧化石墨烯薄膜，并同时将其电化学还原为石墨烯薄膜；然后将石墨烯薄膜作为衬底，在四硫代钼酸铵/氯化钾水溶液中继续电沉积MoS2，得到MoS2/石墨烯复合薄膜。本发明方法制备的MoS2/石墨烯复合薄膜可直接被用作染料敏化太阳能电池的对电极，无需任何后处理工序。

Description

一种MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法
技术领域
本发明涉及一种MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法，属于纳米功能薄膜材料制备技术。
背景技术
近年来，染料敏化太阳能电池作为一种新能源被广泛研究，而对电极作为其重要的组成部分，受到了研究人员的关注。目前，最常见的对电极材料是铂电极，但是，众所周知，铂在自然界中十分稀少，价格昂贵，所以寻找价格低廉，且效率高的材料替代铂作为对电极材料，很有必要。
最近，MoS2用作对电极被证实具有良好的转化效率。为了进一步提高材料的催化性能，研究人员想通过提高材料的导电性来实现，于是在MoS2中参入石墨烯形成复合材料作为对电极。石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，采用撕胶带法成功从石墨中分离出石墨烯，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。之前相关研究人员制备MoS2/石墨烯复合对电极有用水热法、球磨法等方法，但他们的反应时间都比较长，有的方法涉及到高温处理，制备工艺繁琐。此外，他们都是先制备出MoS2/石墨烯复合材料，再将材料采用旋涂、滴涂或手术刀法附着到衬底表面，增加了额外的步骤。为此，开发出一种快速的、反应条件简单的且不需要额外步骤的方法制备MoS2/石墨烯复合对电极具有很重要的价值。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种MoS2/石墨烯复合对电极的制备方法，该方法采用电化学沉积方法，可有效提高MoS2/石墨烯复合对电极的制备速度，降低制备成本。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法，采用三电极电化学沉积体系，以氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液为电解液，直接在FTO导电玻璃上电沉积氧化石墨烯薄膜，并同时将氧化石墨烯薄膜电化学还原为石墨烯薄膜；然后将石墨烯薄膜作为衬底，在四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液中继续电沉积MoS2，即可得到MoS2/石墨烯复合对电极。该方法制备的MoS2/石墨烯复合薄膜可直接被用作染料敏化太阳能电池的对电极，无需任何后处理工序。
上述方法包括如下步骤：
(1)配制氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液，超声溶解；其中氧化石墨烯的浓度为1～10mg/mL，高氯酸锂的浓度为0.01～0.1g/mL；
(2)采用电化学工作站，将FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参比电极，在氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液中，电化学沉积并还原氧化石墨烯到FTO玻璃衬底上形成石墨烯薄膜；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-0.5～-2.0V，沉积时间为1～10min；
(3)配制四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液，超声溶解；其中四硫代钼酸铵的浓度为0.1～1mg/mL，氯化钾的浓度为1～10mg/mL；
(4)采用电化学工作站，将沉积了石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参考电极，在四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液中，电化学沉积MoS2到石墨烯薄膜上；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-0.7～-1.5V，沉积时间为1～20min；
(5)将沉积了MoS2和石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底用去离子水冲洗并烘干，最终得到MoS2/石墨烯复合对电极。
有益效果：本发明提供的MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法，相比于其他MoS2/石墨烯复合材料对电极的制备方法，方法简单，不需要加热，所有的反应步骤只要在电化学工作站上就可以完成，且反应时间大大缩短，相比于其他方法，动则要十几个小时相比，这种全电化学方法只要几分钟就可以成功制得MoS2/石墨烯复合对电极；同时这种方法的一大优点是可以将材料沉积在FTO衬底上，直接形成对电极，不需要额外的操作，简化了步骤；更重要的是，利用电化学方法制得的MoS2/石墨烯复合对电极运用在染料敏化太阳能电池上，太阳能电池的转化效率保持较高的水平，转化效率可以和铂电极相提并论。
附图说明
图1(a)为本发明所制得的MoS2/石墨烯复合对电极的低倍SEM图像；
图1(b)为本发明所制得的MoS2/石墨烯复合对电极的高倍SEM图像；
图2(a)为本发明所制得的MoS2/石墨烯复合对电极的低倍TEM图像；
图2(b)为本发明所制得的MoS2/石墨烯复合对电极的高倍TEM图像；
图3为本发明所制得的MoS2/石墨烯复合材料X射线衍射图谱，横坐标为2θ(单位：度)，纵坐标为相对强度(单位：无量纲)；
图4为本发明所制得的MoS2/石墨烯复合材料的拉曼图谱，横坐标为拉曼位移(单位：cm-1)，纵坐标为相对强度(单位：无量纲)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
(1)配制氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液，超声溶解；其中氧化石墨烯的浓度为2mg/mL，高氯酸锂的浓度为0.02g/mL；
(2)采用电化学工作站，将FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参比电极，在氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液中，电化学沉积并还原氧化石墨烯到FTO玻璃衬底上形成石墨烯薄膜；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-1.5V，沉积时间为2min；
(3)配制四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液，超声溶解；其中四硫代钼酸铵的浓度为0.2mg/mL，氯化钾的浓度为5mg/mL。
(4)采用电化学工作站，将沉积了石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参考电极，在四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液中，电化学沉积MoS2到石墨烯薄膜上；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-1.0V，沉积时间为10min；
(5)将沉积了MoS2和石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底用去离子水冲洗并烘干，最终得到MoS2/石墨烯复合对电极。
实施例2
(1)配制氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液，超声溶解；其中氧化石墨烯的浓度为3mg/mL，高氯酸锂的浓度为0.05g/mL。
(2)采用电化学工作站，将FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参比电极，在氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液中，电化学沉积并还原氧化石墨烯到FTO玻璃衬底上形成石墨烯薄膜；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-1.0V，沉积时间为5min。
(3)配制四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液，超声溶解；其中四硫代钼酸铵的浓度为0.5mg/mL，氯化钾的浓度为2mg/mL。
(4)采用电化学工作站，将沉积了石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参考电极，在四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液中，电化学沉积MoS2到石墨烯薄膜上；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-1.5V，沉积时间为5min；
(5)将沉积了MoS2和石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底用去离子水冲洗并烘干，最终得到MoS2/石墨烯复合对电极。
图1为本实施例制备的MoS2/石墨烯复合对电极的SEM图像，图1(a)为低倍SEM图像，图1(b)为高倍SEM图像。从图中可以看到，MoS2呈现纳米片状形貌，生长在石墨烯薄膜上。图2为该MoS2/石墨烯复合材料的TEM图像，图2(a)为低倍TEM图像，图2(b)为高倍TEM图像。TEM表征进一步证明了MoS2纳米片的片状形貌，并且这种纳米片是由纳米颗粒组成的。图3为MoS2/石墨烯复合材料X射线衍射图谱。图4为MoS2/石墨烯复合材料的拉曼图谱。
实施例3
(1)配制氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液，超声溶解；其中氧化石墨烯的浓度为5mg/mL，高氯酸锂的浓度为0.1g/mL。
(2)采用电化学工作站，将FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参比电极，在氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液中，电化学沉积并还原氧化石墨烯到FTO玻璃衬底上形成石墨烯薄膜；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-1.2V，沉积时间为2min。
(3)配制四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液，超声溶解；其中四硫代钼酸铵的浓度为0.8mg/mL，氯化钾的浓度为5mg/mL。
(4)采用电化学工作站，将沉积了石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参考电极，在四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液中，电化学沉积MoS2到石墨烯薄膜上；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-2.0V，沉积时间为2min；
(5)将沉积了MoS2和石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底用去离子水冲洗并烘干，最终得到MoS2/石墨烯复合对电极。
本发明方法制备的MoS2/石墨烯复合薄膜可直接被用作染料敏化太阳能电池的对电极，无需任何后处理工序。将所制得的MoS2/石墨烯复合对电极和浸泡过染料的二氧化钛阳极封装起来，加入电解液，测试染料敏化太阳能电池的转化效率。测试表明，运用MoS2/石墨烯复合对电极制得的太阳能电池效率达到8.01％，而相同条件下运用铂对电极的太阳能电池的效率为8.21％。可以看出，本发明所述的这种电化学方法制得的MoS2/石墨烯复合对电极可以与昂贵的铂对电极相媲美。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法，其特征在于：采用三电极电化学沉积体系，以氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液为电解液，直接在FTO导电玻璃上电沉积氧化石墨烯薄膜，并同时将氧化石墨烯薄膜电化学还原为石墨烯薄膜；然后将石墨烯薄膜作为衬底，在四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液中继续电沉积MoS2，即可得到MoS2/石墨烯复合对电极。
2.根据权利要求1所述的MoS2/石墨烯复合对电极的电化学制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)配制氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液，超声溶解；其中氧化石墨烯的浓度为1～10mg/mL，高氯酸锂的浓度为0.01～0.1g/mL；
(2)采用电化学工作站，将FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参比电极，在氧化石墨烯/高氯酸锂混合水溶液中，电化学沉积并还原氧化石墨烯到FTO玻璃衬底上形成石墨烯薄膜；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-0.5～-2.0V，沉积时间为1～10min；
(3)配制四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液，超声溶解；其中四硫代钼酸铵的浓度为0.1～1mg/mL，氯化钾的浓度为1～10mg/mL；
(4)采用电化学工作站，将沉积了石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底作为工作电极，将铂电极作为对电极，将饱和甘汞电极作为参考电极，在四硫代钼酸铵/氯化钾混合水溶液中，电化学沉积MoS2到石墨烯薄膜上；电化学沉积采用恒电位沉积，电位为-0.7～-1.5V，沉积时间为1～20min；
(5)将沉积了MoS2和石墨烯薄膜的FTO玻璃衬底用去离子水冲洗并烘干，最终得到MoS2/石墨烯复合对电极。
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