Przedstawiono ogólną strategię opracowania kompozytów nanokryształów półprzewodnikowych z separacją ładunku, które można wykorzystać w produkcji energii słonecznej. Wykazano, że zgrupowanie domen nanokryształów typu donora i akceptora w obrębie pojedynczej nanocząstki nadaje jej funkcję fotokatalityczną, podczas gdy heterozłącza objętościowe (bulk-heterojunctions) w filmach z nanokryształów typu donora i akceptora mogą być wykorzystywane do fotowoltażnej konwersji energii.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanocryształów rozdzielających ładunki oraz ich ciał stałych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Połączenie różnych materiałów półprzewodnikowych w jednym nanokompozycie zapewnia syntetyczne możliwości opracowania nowych materiałów optoelektronicznych, oferujących lepszą kontrolę nad przestrzennym rozkładem nośników ładunku na granicach międzyfazowych materiałów. Jak wykazano w niniejszym badaniu, kombinacja domen nanokryształów (NC) typu donor-akceptor w pojedynczej nanocząsteczce może prowadzić do stworzenia wydajnych materiałów fotokatalitycznych1-5, podczas gdy warstwowa struktura z filmów nanokryształów typu donorowego i akceptorowego pozwala na uzyskanie materiałów fotowoltaicznych.
Wstępnie praca koncentruje się na syntezie kompozytowych nanokryształów nieorganicznych, składających się z liniowo ułożonych domen ZnSe, CdS i Pt, które wspólnie sprzyjają fotoindukowanej separacji ładunków. Struktury te są wykorzystywane w roztworach wodnych do fotokatalizy wody pod promieniowaniem słonecznym, co prowadzi do produkcji gazowego H2. Aby zwiększyć fotoindukowaną separację ładunków, zastosowano morfologię nanoprętów z liniowym gradientem wynikającym z wewnętrznego pola elektrycznego5. Następnie zoptymalizowano energetykę międzydomenową, aby skierować fotogenerowane elektrony w stronę katalitycznego miejsca Pt, jednocześnie wypychając dziury na powierzchnię domen ZnSe w celu regeneracji ofiarnej (za pomocą metanolu). Tutaj wykazujemy, że jedynym skutecznym sposobem produkcji wodoru jest zastosowanie ligandów donujących elektrony w celu pasywacji stanów powierzchniowych poprzez dostrojenie wyrównania poziomów energii na interfejsie półprzewodnik-ligand. Stabilna i wydajna redukcja wody jest możliwa dzięki tym ligandom, ponieważ wypełniają one luki w pasmie walencyjnym domeny półprzewodnikowej, zapobiegając degradacji przez wysokoenergetyczne dziury. Wykazujemy konkretnie, że energia dziury jest przenoszona na część ligandową, pozostawiając domenę półprzewodnikową funkcjonalną. Pozwala nam to przywrócić cały układ nanokryształ-ligand do stanu funkcjonalnego po degradacji ligandów poprzez proste dodanie do układu świeżych ligandów4.
Aby wspomóc fotowoltaiczną separację ładunków, stosujemy kompozytową strukturę dwuwarstwową składającą się z cienkich warstw PbS i TiO2. W tej konfiguracji elektrony wzbudzone światłem są wstrzykiwane do TiO2, a następnie odbierane przez elektrodę FTO, podczas gdy dziury są transportowane do elektrody Au poprzez warstwę PbS6. W celu opracowania tej ostatniej wprowadzamy strategię Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA), która umożliwia wiązanie nanocząstek (NCs) PbS w otaczającej matrycy półprzewodnika CdS. W rezultacie otrzymane materiały wykazują doskonałą stabilność termiczną, przypisywaną heteroepitaksjalnej strukturze interfejsów nanocząstka-matryca, oraz wykazują przekonującą wydajność konwersji światła w prototypowych ogniwach słonecznych7.
Protokół
1. Synteza nanokryształów rdzenia ZnSe8
- Do kolby trójszyjnej należy wprowadzić 7,0 g ODA oraz mieszadło magnetyczne.
- W oddzielnej kolbie należy połączyć 0,063 g Se i 2,4 ml TOP, a następnie dodać mieszadło magnetyczne. Mieszaninę TOP i selenu należy odgazować w próżni przez 30 min.
- ODA należy odgazować przez 90 min w temperaturze 120 °C, a następnie poddać przepływowi Ar z szerokim szklanym wylotem.
- ODA należy podgrzać do 300 °C, a następnie wstrzyknąć mieszaninę Se. Należy odczekać, aż temperatura powróci do 300 °C.
- Do kolby reakcyjnej należy wstrzyknąć 1,0 ml Et2Zn (10% masowych w heksanie) i ....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Niniejsze badanie demonstruje, w jaki sposób kompozytowe architektury nieorganicznych nanokryształów mogą być wykorzystane do osiągnięcia przestrzennej separacji ładunków indukowanych światłem. W szczególności kompozyty te pozwalają na precyzyjne dostrojenie rozkładu ładunków pomiędzy dwiema domenami, które mogą następnie pełnić funkcję fotokatalityczną lub fotowoltaiczną. Na przykład, wydajne fotokatalizatory można stworzyć, wbudowując domeny nanokryształów donora i akceptora w pojedynczą nanocząstkę. Energetyka takiego.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Pragniemy podziękować dr. Felixowi Castellano (BGSU) oraz N. R. Neal za porady i cenne dyskusje. Z wdzięcznością dziękujemy programowi OBOR „Material Networks” oraz Bowling Green State University za wsparcie finansowe. Praca ta była częściowo wspierana przez NSF w ramach grantu CHE - 1112227.
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| oktadecyloamina (ODA), 90% | Fisher | AC12932-0050 | |
| selen (Se), 200 mesh | Acros | AC19807-2500 | |
| tri-n-oktylofosfina (TOP), 97% | Strem | 15-6655 | Wrażliwy na powietrze |
| dietyloocynk (Et2Zn), 10% masowo | Aldrich | 22080 | Wrażliwy na powietrze, wrażliwy na światło |
| metanol, 99,8%, bezwodny | Aldrich | 179337 | |
| toluen, 99,8%, bezwodny | Aldrich | 244511 | |
| tlenek tri-n-oktylofosfiny (TOPO), 99% | Aldrich | 223301 | |
| kwas n-oktadecylfosfonowy (ODPA), 98% | PCI Synthesis | 104224 | |
| kwas heksylofosfonowy (HPA), 98% | PCI Synthesis | 4721-24-8 | |
| tlenek kadmu (CdO), 99,99% | Aldrich | 202894 | |
| siarka (S), 99,999% | Acros | AC19993-0500 | Silny zapach |
| kwas 11-merkapto-undekanowy (MUA), 95% | Aldrich | 450561 | |
| wodorotlenek potasu (KOH) | Acros | AC13406-0010 | |
| chloroform | VWR | EM-CX1059-1 | |
| tlenek ołowiu (PbO), 99,999% | Aldrich | 32306-1KG | |
| 1-oktadecen (ODE), 90% | Aldrich | O806-25ML | |
| kwas oleinowy (OA), 90% | Aldrich | O1008-1G | |
| siarczek bis(trimetylosililowy) (TMS), stopień syntetyczny | Aldrich | 283134-25G | Wrażliwy na powietrze, silny zapach, wysoce reaktywny |
| aceton | EMD Chemicals | AX0118-2 | |
| octan kadmu | Acros | AC31713-5000 | |
| nonahydrat siarczku sodu (Na2S∙9H2O), 98% | Alfa Aesar | CB1100945 | Wrażliwy na światło |
| bromek heksadecylotrimetylammoniumu (CTAB), 99% | Sigma | H6269-100G | |
| oleilamina, 70% | Aldrich | O7805-5G | |
| eter difenylowy | Alpha Aesar | 101-84-8 | |
| 1,2-heksadekanodiol | TCI | 6920-24-7 | |
| acetyloacetonian Pt (II), 97% | Aldrich | 282782-5G | |
| izopropanol, 99,8%, bezwodny | Acros | AC32696-0025 | |
| tetrachlorek tytanu (TiCl4), 99,9% | Aldrich | 697079-25G | Ekstremalnie wrażliwy na powietrze |
| dwutlenek tytanu, DSL 90T | DyeSol | DSL 90T | |
| terpineol | MP Biomedical | 98-55-5 | |
| kwas 3-merkaptopropionowy (MPA), 99% | Alfa Aesar | A10435 | Silny zapach |
| oktan, bezwodny, 99% | Aldrich | 412236 |
Bibliografia
- Kamat, P. V., Flumiani, M., Dawson, A. Metal - Metal and Metal- Semiconductor Composite Nanoclusters. Colloids Surf. A. 202, 269-279 (2002).
- Dawson, A., Kamat, P. V. Complexation of Gold Nanoparticles with Radiolytically Generated Thiocyanate Radica....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
