西建大云斯寧教授JMCA：高性能光伏電催化材料構筑與催化機制理解

【成果簡介】

染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells,?DSSCs）具有相比傳統硅基太陽能電池，由于其理論轉化效率高、環境友好、制造成本低、工藝簡單等特點已成為繼硅基和薄膜太陽能電池(砷化鎵、碲化鎘等)之后新一代太陽能電池領域最重要的研究方向，作為一種清潔能源技術備受關注。

對電極催化劑對于DSSC的整體性能起著至關重要的作用，良好的導電性和優異的催化活性，是理想對電極催化劑的性能需求。近期，西安建筑科技大學功能材料研究所云斯寧教授（通訊作者）“能源材料高效和資源化利用”研究團隊在國際材料領域權威期刊Journal of Materials Chemistry A發表論文，論文創新性地利用生物基碳材料（較高的導電性）和鈮基雙金屬化合物（良好的催化活性）之間的協同效應，將蘆薈皮廢棄物制備的生物多孔碳（Bio-based porous carbon，BPC）引入到鈮基雙金屬氧化物（ZnNb₂O₆），形成復合材料，提高了納米顆粒的分散性和電子傳輸能力，顯著地改善了對電極材料的導電性、催化活性和電化學穩定性。將其作為對電極催化劑應用于DSSCs，取得了8.83%的光電轉化效率。此外，論文通過第一性原理密度泛函理論計算，從理論上闡明了對電極材料優異電催化活性的本征起源。

【圖文導讀】

圖1?生物質碳負載鈮基雙金屬氧化物的應用效果及合成示意圖。

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圖2

?(a) BPC的X射線衍射圖譜；(b)?ZnNb₂O₆/BPC的X射線衍射圖譜；(c)?BPC、ZnNb₂O₆、ZnNb₂O₆/BPC的拉曼光譜；(d)?BPC的氮氣吸-脫附及孔徑分布曲線；(e)?ZnNb₂O₆的氮氣吸-脫附及孔徑分布曲線；(f) ZnNb₂O₆/BPC的氮氣吸-脫附及孔徑分布曲線。

圖3?

高分辨X射線光電子能譜(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。

圖4

?(a) BPC；(b)?ZnNb₂O₆；(c)?ZnNb₂O₆/BPC的顯微結構。

圖5?

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(a)不同對電極組裝DSSC的光伏曲線圖；(b) 不同對電極的循環伏安圖；(c)不同對電極組裝對稱電池的塔菲爾極化曲線圖；(d) 不同對電極組裝對稱電池的Nyquist圖；(e)?局部放大的Nyquist阻抗圖；(f)不同對電極組裝DSSC的暗電流-電壓曲線圖。

圖6

(a-d)不同對電極的100圈循環伏安圖；(e-h) 不同對電極的氧化還原峰電流密度變化及CV循環100圈前后電極表面對比圖。

圖7?不同對電極組裝對稱電池的多圈掃描Nyquist圖。

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

圖8?

(a)?ZnNb₂O₆的態密度；(b-d)Pt、Zn、Nb的態密度。

圖9?I₃^-?分子在ZnNb₂O₆晶面(110)和(100)的表面吸附。

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【總結與展望】

這項工作將理論和實驗相結合，通過理論計算和實驗研究，從能帶和表面吸附兩個方面，闡明了對電極材料的催化機制，為高性能對電極材料的設計、構筑、及性能優化提供了一種有效的策略。

簡評：

能源危機和環境污染是當今世界人類社會面臨的兩大難題，可再生能源的利用是解決這一問題的關鍵。太陽能和生物質能作為資源量最大的可再生能源，其高效開發和利于對于能源的可再生利用和社會的可持續發展意義重大。西安建筑科技大學云斯寧教授新能源材料研究團隊，依托該校國家戰略性新型專業“資源循環科學與工程”和“功能材料”，聚焦于太陽能和生物質能的利用，開展與無機非金屬材料相關的基礎研究和技術應用開發，力圖通過新能源材料的研究和開發，解決國家發展過程中的重大能源需求，實現資源化循環綜合利用。

論文鏈接：

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學功能材料研究所云斯寧教授團隊供稿

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