热处理温度对碳电极电催化性能的影响

王艺蒙，张欣茜，刘 晨，焦 琳，初增泽

(沈阳师范大学 化学化工学院 能源与环境催化研究所,辽宁 沈阳 110034)

2.1 实验材料与对电极的制备

FTO玻璃经超声清洗并用紫外光照射，使用胶带贴于FTO之上制作模板，然后用刮涂法在FTO上涂敷一层均匀的碳浆薄膜。碳浆膜经过室温干燥后，分别在120,200,300和400 ℃等四种不同温度下进行热处理，得到不同热处理温度下制备的碳电极。作为对照的铂对电极是用0.01 mol·L-1氯铂酸异丙醇溶液滴涂在FTO上经400 ℃烧结后制得。

2.2 光阳极的制备和DSSC组装

采用旋涂法将双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的异丙醇溶液沉积在FTO玻璃表面，并在500 ℃烧结后制得阻挡层。然后在其之上刮涂二氧化钛胶体层，按程序升温到550 ℃退火后获得介孔层。将制得的电极用70 ℃四氯化钛水溶液处理30 min后，再置于500 ℃烧结30 min。最后，把制备的光阳极在光敏剂N719的乙醇溶液中浸泡过夜。DSSC制备过程是先将敏化后的TiO2光阳极与对电极用沙林膜加热粘合，然后灌注电解液(0.5 mol·L-1碘化锂、0.05 mol·L-1碘和0.1 mol·L-1叔丁基吡啶)完成电池组装。

2.3 仪器与表征

碳电极表面采用日立S-4800型扫描电子显微镜观测。使用上海辰华CHI604E型电化学工作站进行循环伏安(CV)和电化学交流阻抗(EIS)测试。在Oriel 66055型模拟太阳光源照射下，由标准硅电池将光强校正到100 mW·cm-2(AM 1.5)，并用Keithley 238源表测试DSSC的电流密度-电压特性曲线。

3.1 表面形貌表征

图1为碳电极经热处理后呈现的表面形貌SEM图。在120 ℃的低热处理温度下，电极表面显示出了石墨、碳黑等碳材料和高分子胶体紧密粘接和黏合的状态。当热处理温度提高到200 ℃时，碳材料与胶体开始出现一定程度的相分离。随着温度进一步提高至300 ℃，中、低分子量的胶体分解挥发后，胶体与碳材料之间的相分离更加明显，部分片状石墨也显露出来，电极表面孔洞和开裂增加。最后，当温度经过400 ℃高温处理后，电极表面大部分胶体被烧结分解掉，剩余的片状石墨、碳黑颗粒等碳材料呈现粗糙、多孔的表面形貌。这种微观形貌有利于增大比表面积、提高电解质的渗透性，从而增强电极的电催化还原能力。

(a) 120 ℃；
(b) 200 ℃；
(c) 300 ℃；
(d) 400 ℃

3.2 电化学分析

图2 四种热处理温度的碳电极和铂电极的CV曲线

图3 四种热处理温度的碳电极和铂电极的Nyquist图

为了探究碳电极的电荷转移特性，采用两电极构成的对称电池进行了EIS分析[5]。图3为电极的Nyquist曲线图，使用ZView软件对曲线进行拟合得到相关性能参数。四种热处理温度电极的电荷传输电阻RCT分别为43.06 Ω·cm2(120 ℃)、9.08 Ω·cm2(200 ℃)、4.24 Ω·cm2(300 ℃)和2.56 Ω·cm2(400 ℃)。由于RCT值与电荷转移速率成反比，因此，随着热处理温度的提高，碳电极的电荷转移速率逐渐增大，400 ℃处理的电极具有最高的催化活性。

3.3 光伏性能测试

图5是四种碳电极和铂制备的电池的电流密度-光电压(J-V)特性曲线图。经120 ℃、200 ℃、300 ℃煅烧处理，碳基DSSCs的功率转换效率分别为0.51%、0.58%和0.46%，总体上变化不大。而当热处理温度提高至400 ℃时，其电池效率显著提高至0.92%，与120 ℃处理的电极相比增加了80.4%。由前述SEM和电化学分析可知，随着烧结温度逐步提高，碳电极中的残留溶剂、粘接胶体等挥发和分解掉，余留的石墨、碳黑颗粒等碳材料构成的电极表面呈现高比表面积的多孔结构，能显著提高电催化反应活性。因此，在所研究的碳电极中，经400 ℃高温处理的电极具有最高的还原峰电流密度、最小的RCT值，说明其电催化活性最好，也导致其显示了最高的光电效率。但是，相比Pt电极的DSSC(2.53%)，碳电极的光伏性能仍有相当大的差距，需要进一步改进优化。

图4 基于四种热处理温度的碳电极和铂电极的J-V曲线

本研究使用刮涂法制成了碳薄膜对电极，研究了不同热处理温度对电极的电催化活性和光伏性能的影响。研究结果表明，经过400 ℃高温煅烧处理，碳电极具有粗糙、多孔的高比表面的结构，显示了更高的电催化活性，以其为对电极制备的DSSC获得了0.92%的功率转换效率，优于其它烧结温度的碳基电池。