西建大云斯宁教授JMCA：高性能光伏电催化材料构筑与催化机制理解

【成果简介】

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells, DSSCs）具有相比传统硅基太阳能电池，由于其理论转化效率高、环境友好、制造成本低、工艺简单等特点已成为继硅基和薄膜太阳能电池(砷化镓、碲化镉等)之后新一代太阳能电池领域最重要的研究方向，作为一种清洁能源技术备受关注。

对电极催化剂对于DSSC的整体性能起着至关重要的作用，良好的导电性和优异的催化活性，是理想对电极催化剂的性能需求。近期，西安建筑科技大学功能材料研究所云斯宁教授（通讯作者）“能源材料高效和资源化利用”研究团队在国际材料领域权威期刊Journal of Materials Chemistry A发表论文，论文创新性地利用生物基碳材料（较高的导电性）和铌基双金属化合物（良好的催化活性）之间的协同效应，将芦荟皮废弃物制备的生物多孔碳（Bio-based porous carbon，BPC）引入到铌基双金属氧化物（ZnNb₂O₆），形成复合材料，提高了纳米颗粒的分散性和电子传输能力，显著地改善了对电极材料的导电性、催化活性和电化学稳定性。将其作为对电极催化剂应用于DSSCs，取得了8.83%的光电转化效率。此外，论文通过第一性原理密度泛函理论计算，从理论上阐明了对电极材料优异电催化活性的本征起源。

【图文导读】

图1 生物质碳负载铌基双金属氧化物的应用效果及合成示意图。

图2

 (a) BPC的X射线衍射图谱；(b) ZnNb₂O₆/BPC的X射线衍射图谱；(c) BPC、ZnNb₂O₆、ZnNb₂O₆/BPC的拉曼光谱；(d) BPC的氮气吸-脱附及孔径分布曲线；(e) ZnNb₂O₆的氮气吸-脱附及孔径分布曲线；(f) ZnNb₂O₆/BPC的氮气吸-脱附及孔径分布曲线。

图3 

高分辨X射线光电子能谱(a)Zn 2p；(b)Nb 3d；(c)ZnNb₂O₆的O 1s；(d)BPC的C 1s；(e) Zn 2p；(f) Nb 3d；(g) ZnNb₂O₆/BPC的O 1s；(h) ZnNb₂O₆/BPC的C 1s。

图4

 (a) BPC；(b) ZnNb₂O₆；(c) ZnNb₂O₆/BPC的显微结构。

图5 

(a)不同对电极组装DSSC的光伏曲线图；(b) 不同对电极的循环伏安图；(c)不同对电极组装对称电池的塔菲尔极化曲线图；(d) 不同对电极组装对称电池的Nyquist图；(e) 局部放大的Nyquist阻抗图；(f)不同对电极组装DSSC的暗电流-电压曲线图。

图6

(a-d)不同对电极的100圈循环伏安图；(e-h) 不同对电极的氧化还原峰电流密度变化及CV循环100圈前后电极表面对比图。

图7 不同对电极组装对称电池的多圈扫描Nyquist图。

(a)BPC；(b) ZnNb₂O₆；(c) ZnNb₂O₆/BPC；(d)Pt。

图8 

(a) ZnNb₂O₆的态密度；(b-d)Pt、Zn、Nb的态密度。

图9 I₃^- 分子在ZnNb₂O₆晶面(110)和(100)的表面吸附。

【总结与展望】

这项工作将理论和实验相结合，通过理论计算和实验研究，从能带和表面吸附两个方面，阐明了对电极材料的催化机制，为高性能对电极材料的设计、构筑、及性能优化提供了一种有效的策略。

简评：

能源危机和环境污染是当今世界人类社会面临的两大难题，可再生能源的利用是解决这一问题的关键。太阳能和生物质能作为资源量最大的可再生能源，其高效开发和利于对于能源的可再生利用和社会的可持续发展意义重大。西安建筑科技大学云斯宁教授新能源材料研究团队，依托该校国家战略性新型专业“资源循环科学与工程”和“功能材料”，聚焦于太阳能和生物质能的利用，开展与无机非金属材料相关的基础研究和技术应用开发，力图通过新能源材料的研究和开发，解决国家发展过程中的重大能源需求，实现资源化循环综合利用。

论文链接：

C.Wang, S. Yun*, Q. Fan, Z. Wang, Y. Zhang, F. Han, Y. Si and A. Hagfeldt, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 14864-14875. A hybrid niobium-based oxide with bio-based porous carbon as an efficient electrocatalyst in photovoltaics: a general strategy for understanding the catalytic mechanism.

DOI: 10.1039/C9TA03540K

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta03540k/unauth#!divAbstract

本文系西安建筑科技大学功能材料研究所云斯宁教授团队供稿

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