熱處理溫度對碳電極電催化性能的影響

王藝蒙，張欣茜，劉 晨，焦 琳，初增澤

(沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所,遼寧 沈陽 110034)

2.1 實驗材料與對電極的制備

FTO玻璃經超聲清洗并用紫外光照射，使用膠帶貼于FTO之上制作模板，然后用刮涂法在FTO上涂敷一層均勻的碳漿薄膜。碳漿膜經過室溫干燥后，分別在120,200,300和400 ℃等四種不同溫度下進行熱處理，得到不同熱處理溫度下制備的碳電極。作為對照的鉑對電極是用0.01 mol·L-1氯鉑酸異丙醇溶液滴涂在FTO上經400 ℃燒結后制得。

2.2 光陽極的制備和DSSC組裝

采用旋涂法將雙(乙酰丙酮基)二異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液沉積在FTO玻璃表面，并在500 ℃燒結后制得阻擋層。然后在其之上刮涂二氧化鈦膠體層，按程序升溫到550 ℃退火后獲得介孔層。將制得的電極用70 ℃四氯化鈦水溶液處理30 min后，再置于500 ℃燒結30 min。最后，把制備的光陽極在光敏劑N719的乙醇溶液中浸泡過夜。DSSC制備過程是先將敏化后的TiO2光陽極與對電極用沙林膜加熱粘合，然后灌注電解液(0.5 mol·L-1碘化鋰、0.05 mol·L-1碘和0.1 mol·L-1叔丁基吡啶)完成電池組裝。

2.3 儀器與表征

碳電極表面采用日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀測。使用上海辰華CHI604E型電化學工作站進行循環伏安(CV)和電化學交流阻抗(EIS)測試。在Oriel 66055型模擬太陽光源照射下，由標準硅電池將光強校正到100 mW·cm-2(AM 1.5)，并用Keithley 238源表測試DSSC的電流密度-電壓特性曲線。

3.1 表面形貌表征

圖1為碳電極經熱處理后呈現的表面形貌SEM圖。在120 ℃的低熱處理溫度下，電極表面顯示出了石墨、碳黑等碳材料和高分子膠體緊密粘接和黏合的狀態。當熱處理溫度提高到200 ℃時，碳材料與膠體開始出現一定程度的相分離。隨著溫度進一步提高至300 ℃，中、低分子量的膠體分解揮發后，膠體與碳材料之間的相分離更加明顯，部分片狀石墨也顯露出來，電極表面孔洞和開裂增加。最后，當溫度經過400 ℃高溫處理后，電極表面大部分膠體被燒結分解掉，剩余的片狀石墨、碳黑顆粒等碳材料呈現粗糙、多孔的表面形貌。這種微觀形貌有利于增大比表面積、提高電解質的滲透性，從而增強電極的電催化還原能力。

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

3.2 電化學分析

圖2 四種熱處理溫度的碳電極和鉑電極的CV曲線

圖3 四種熱處理溫度的碳電極和鉑電極的Nyquist圖

為了探究碳電極的電荷轉移特性，采用兩電極構成的對稱電池進行了EIS分析[5]。圖3為電極的Nyquist曲線圖，使用ZView軟件對曲線進行擬合得到相關性能參數。四種熱處理溫度電極的電荷傳輸電阻RCT分別為43.06 Ω·cm2(120 ℃)、9.08 Ω·cm2(200 ℃)、4.24 Ω·cm2(300 ℃)和2.56 Ω·cm2(400 ℃)。由于RCT值與電荷轉移速率成反比，因此，隨著熱處理溫度的提高，碳電極的電荷轉移速率逐漸增大，400 ℃處理的電極具有最高的催化活性。

3.3 光伏性能測試

圖5是四種碳電極和鉑制備的電池的電流密度-光電壓(J-V)特性曲線圖。經120 ℃、200 ℃、300 ℃煅燒處理，碳基DSSCs的功率轉換效率分別為0.51%、0.58%和0.46%，總體上變化不大。而當熱處理溫度提高至400 ℃時，其電池效率顯著提高至0.92%，與120 ℃處理的電極相比增加了80.4%。由前述SEM和電化學分析可知，隨著燒結溫度逐步提高，碳電極中的殘留溶劑、粘接膠體等揮發和分解掉，余留的石墨、碳黑顆粒等碳材料構成的電極表面呈現高比表面積的多孔結構，能顯著提高電催化反應活性。因此，在所研究的碳電極中，經400 ℃高溫處理的電極具有最高的還原峰電流密度、最小的RCT值，說明其電催化活性最好，也導致其顯示了最高的光電效率。但是，相比Pt電極的DSSC(2.53%)，碳電極的光伏性能仍有相當大的差距，需要進一步改進優化。

圖4 基于四種熱處理溫度的碳電極和鉑電極的J-V曲線

本研究使用刮涂法制成了碳薄膜對電極，研究了不同熱處理溫度對電極的電催化活性和光伏性能的影響。研究結果表明，經過400 ℃高溫煅燒處理，碳電極具有粗糙、多孔的高比表面的結構，顯示了更高的電催化活性，以其為對電極制備的DSSC獲得了0.92%的功率轉換效率，優于其它燒結溫度的碳基電池。