Electrospinning de eletrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por corante

Resumo

O objetivo geral deste projeto era usar eletrospinning para fabricar um fotoanode com desempenho melhorado para células solares sensibilizadas com corantes.

Resumo

Este trabalho demonstra um protocolo para fabricar um fotoaneto à base de fibra para células solares sensibilizadas com corantes, consistindo em uma camada de dispersão de luz feita de nanofibras de dióxido de titânio eletropun (TiO2 -NFs) em cima de uma camada de bloqueio feita de dióxido de titânio comercialmente disponível Nanopartículas (TiO2-NPs). Isto é conseguido através da primeira electrospinificação de uma solução de butóxido de titânio (IV), polivinilpirrolidona (PVP) e ácido acético glacial em etanol para obter nanofibras PVP / TiO ₂ compostas. Estes são então calcinados a 500 ° C para remover a PVP e para obter nanofibras de titânia de fase anatase pura. Este material é caracterizado por microscopia eletrônica de varredura (SEM) e difracção de raios X em pó (XRD). O fotoanodo é preparado primeiro criando uma camada de bloqueio através da deposição de uma suspensão de TiO2-NPs / terpineol em uma lâmina de vidro de óxido de estanho dopada com flúor (FTO) usando técnicas de doutoramento. Um tratamento térmico subseqüenteÉ realizada a 500 ° C. Em seguida, a camada de dispersão de luz é formada depositando uma pasta de TiO2-Ns / terpineol no mesmo slide, usando a mesma técnica e calcinando novamente a 500 ° C. O desempenho do fotoanode é testado através da fabricação de uma célula solar sensibilizada por corante e medindo sua eficiência através de curvas JV sob uma gama de densidades de luz incidente, de 0,25-1 Sun.

Introdução

As células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs) são uma alternativa interessante às células solares à base de silício ^1, graças ao seu baixo custo, processo de fabricação relativamente simples e facilidade de produção em grande escala. Outro benefício é o seu potencial para ser incorporado em substratos flexíveis, uma vantagem distinta em relação às células solares à base de silício ² . Um DSSC típico utiliza: (1) um fotoaneto de TiO ₂ nanoparticulado, sensibilizado com um corante, como uma camada de colheita leve; (2) um FTO revestido com Pt, usado como um contra-eletrodo; E (3) um eletrólito contendo um casal redox, como I ^- / I ₃ ^- , colocado entre os dois eletrodos, funcionando como um "meio condutor de furos".

Embora os DSSCs tenham ultrapassado as eficiências de 15% ³ , o desempenho de fotanodes à base de nanopartículas ainda está dificultado por uma série de limitações, incluindo mobilização de elétrons lentoY ⁴ , má absorção de fótons de baixa energia ⁵ e recombinação de carga ⁶ . A eficiência da coleta de elétrons depende fortemente da taxa de transporte de elétrons através da camada de nanopartículas de TiO ₂ . Se a difusão de carga for lenta, a probabilidade de recombinação com I3 ^- na solução eletrolítica aumenta, resultando em uma perda de eficiência.

Demonstrou-se que a substituição do TiO ₂ nanoparticulado por nanoarquitecturas _de TiO ₂ unidimensionais (1D) pode melhorar o transporte de carga reduzindo a dispersão de elétrons livres dos limites de grãos das nanopartículas de TiO ₂ interconectadas ⁷ . À medida que as nanoestruturas 1D fornecem uma via mais direta para coleta de cobrança, podemos esperar que o transporte de elétrons em nanofibras (NFs) seja significativamente mais rápido do que em nanopartículas ^{8 , 9} .

Electrospinning é um dos métodos mais utilizados para a fabricação de materiais fibrosos com diâmetros submicrométricos ¹⁰ . Esta técnica envolve o uso de alta tensão para induzir a ejeção de um jato de solução de polímero através de uma fiação. Devido à instabilidade de flexão, este jato é posteriormente esticado muitas vezes para formar nanofibras contínuas. Nos últimos anos, esta técnica tem sido amplamente utilizada para fabricar materiais poliméricos e inorgânicos, que foram utilizados para aplicações numerosas e diversas, tais como engenharia de tecidos ¹¹ , catálise ¹² e como materiais de eletrodo para baterias de iões de lítio ¹³ e supercondensadores ¹⁴ .

O uso de TiO ₂ -NFs electrospun como a camada de dispersão no fotoanode pode aumentar o desempenho de DSSCs. No entanto, os fotoanodes com nanofibroAs arquiteturas de nós tendem a ter pouca absorção de corantes devido às limitações da área de superfície. Uma das possíveis soluções para superar isso é misturar NFs e nanopartículas. Isso resultou em camadas de dispersão adicionais, melhorando a absorção de luz e a eficiência geral ¹⁵ .

O protocolo apresentado neste vídeo fornece um método fácil para sintetizar nanofibras ultralong TiO ₂ através de uma combinação de técnicas de eletrospinning e sol-gel, seguidas de um processo de calcinação. O protocolo então ilustra o uso dos TiO ₂ -NF em combinação com TiO ₂ nanoparticulado para a fabricação de um fotoanodo de camada dupla com capacidade de dispersão de luz melhorada usando técnicas de doutoramento, bem como a subsequente montagem de um DSSC usando tal Photoanode.

Protocolo

1. Preparação da solução do precursor

NOTA: Consulte todas as folhas relevantes de dados de segurança de material (MSDS) antes de usar. Vários dos produtos químicos utilizados neste procedimento são prejudiciais e / ou tóxicos para os seres humanos. Os nanomateriais podem ter riscos adicionais em relação à sua contrapartida em massa. Use as medidas de segurança adequadas e equipamentos de proteção pessoal.

1. Colocar 5 g de n-butóxido de titânio (IV), 1 g de polivinilpirrolidona (PVP), 1 mL de ácido acético glacial e 10 mL de etanol absoluto num frasco de amostra.
2. Use uma placa de agitação magnética para misturar a solução até se tornar homogênea e não se observarem bolhas.

2. Electrospinning e Calcination of the Nanofibers

1. Prepare a agulha utilizada para o processo de eletropinação, cortando a ponta de uma agulha de 21 G e lixando-a com lixa de grau moderado até a ponta ser completamente plana.
2. Montar a necessidadeLe em uma seringa descartavel de 10 mL.
3. Coloque uma parte da solução do precursor na seringa e coloque-a sobre a bomba da seringa.
4. Enrole a placa do coletor em papel alumínio e coloque-a diretamente na frente da ponta da agulha.
   NOTA: A distância da agulha à placa deve ser de 20 cm.
5. Conecte a placa do coletor ao chão e a agulha à fonte de energia de alta tensão.
6. Coloque o escudo de proteção em torno da configuração.
7. Ajuste o caudal na bomba da seringa para 1 mL / h e comece a bombear.
8. Assim que alguma solução aparecer na ponta da agulha, ligue a fonte de alta tensão e ajuste-a para 15 kV.
   NOTA: Neste ponto, as fibras vão coletar na placa. A configuração será deixada em execução durante o tempo necessário para alcançar a espessura desejada da esteira de fibra.
9. Após a centrifugação estar concluída, desligue a fonte de alta tensão e a bomba da seringa. Remova a folha da placa do coletor.
10. Deixe as fibras descansarem oÀ noite e, em seguida, tire-os da folha de alumínio.
11. Coloque as fibras descascadas em um cadinho e coloque isso em um forno de mufla.
12. Calcinar as fibras configurando uma rampa de temperatura de 5 ° / min até 500 ° C e mantendo por 2 h para remover a PVP e para produzir nanofibras TiO ₂ puras.
13. Uma vez que o processo de calcinação esteja completo, deixe o forno fechado até que a temperatura atinja abaixo de 80 ° C para evitar qualquer choque térmico que possa danificar as fibras.

3. Fabricação de eletrodos

1. Preparação das suspensões
   1. Adicione 500 mg de pasta de dióxido de titânio a 20 mL de etanol num balão de fundo redondo.
   2. Num balão separado, misture 500 mg dos TiO ₂ -NF de electrospun com mais 20 mL de etanol.
   3. Sonicate as soluções por 2 h usando um sonicador de banho.
   4. Uma vez que se obtêm misturas uniformes, adicione 2 mL de terpineol a cada balão e submeta-se aOutros 15 min.
   5. Evaporar o solvente de ambos os frascos usando um evaporador rotativo para obter as suspensões.
2. Licenciamento e sinterização do médico
   1. Usando um cortador de diamante de vidro, corte um slide de vidro FTO-conductivo em um quadrado de 2 cm x 2 cm.
   2. Proteja o slide FTO para a área de trabalho, colocando fita adesiva no slide de vidro, deixando uma área de 0,4 cm ² exposta no centro. Para evitar um revestimento irregular, coloque a fita em dois lados paralelos primeiro e depois nas outras duas.
   3. Deposite algumas gotas da pasta de TiO ₂ -NP no centro exposto do slide.
   4. Use uma lâmina de barbear para espalhar a suspensão uniformemente sobre a área exposta.
   5. Depois de obter um revestimento uniforme, remova cuidadosamente a fita adesiva.
   6. Coloque a corrediça revestida em um forno e sinterização a 500 ° C por 2 h.
   7. Repita as etapas 3.2.2-3.2.6 no mesmo slide FTO, desta vez usando a pasta de TiO ₂ -NF em vez deAs nanopartículas, para obter o fotoanode.

4. Caracterização NF

1. Caracterização SEM
   1. Prepare a amostra para SEM, juntando uma tira de fita adesiva de carbono para uma estaca de microscópio. Coloque cuidadosamente uma pequena quantidade de nanofibras na fita.
   2. Monte o talão em um suporte de amostra e carregue-o na câmara de troca do instrumento.
   3. Configure as condições e os parâmetros do instrumento: ajuste a tensão de aceleração para 20 kV e a distância de trabalho para 10 mm.
   4. Coletar imagens da amostra, certificando-se de que elas exibem a morfologia geral do material.
2. Caracterização XRD
   1. Mole suavemente algumas nanofibras em um pó fino e espalhe-as uniformemente em um estágio XRD.
   2. Coloque a amostra no difractômetro.
   3. Configure os parâmetros de aquisição: use um ângulo de início de 10 °, um ângulo final de 80 °, umTamanho da etapa de 0,015 °.
   4. Comece a aquisição dos dados XRD.

5. Fabricação de células solares

1. Tratar o fotoaneto com uma solução aquosa de TiCl4 a 75 ° C durante 45 min. Após o tratamento, lave com água desionizada e seque.
2. Sensibilizar o fotoanode submergindo-o em uma solução 0,5 mM de corante de rutênio N719 em etanol absoluto durante 24 h sob condições escuras.
3. Coloque uma folha de filme de vedação sobre o fotoanodo sensibilizado para servir como uma junta termoplástica entre o fotoanodo e o contraeletrodo.
4. Coloque um contra-eléctrodo FTO revestido com Pt com um orifício pré-perfurado no centro, em cima da película de vedação, de modo que ambos os lados se voltem um para o outro.
5. Aqueça a célula montada a 100 ° C durante 15 minutos para selar a junta.
6. Depurar algumas gotas de um mediador redox, consistindo em uma solução de iodeto de 1-propil-3-metilimidazólio (0,8 M), iodo (0,1 M),E benzimidazole (0,3 M) em 3-metoxipropionitrilo, em cima do orifício pré-perfurado do contra-eléctrodo.
7. Coloque a célula em um dessecador de vácuo para permitir que o mediador redox preencha o espaço interno da célula montada.

6. Caracterização da curva JV

1. Adquira as curvas JV usando um medidor de fonte digital inferior a uma iluminação de 100 mW / cm ² de uma fonte de arco xenon passada por um filtro AM1.5G.

Resultados

As nanofibras TiO ₂ foram caracterizadas utilizando SEM, espectroscopia de fotoeletro de raio X (XPS) e XRD. A nanoestrutura do fotoanodo foi caracterizada usando SEM. O desempenho do DSSC montado foi testado usando um simulador solar e uma unidade de medida de fonte.

A imagem de SEM na Figura 1A mostra que as nanofibras sintetizadas usando este protocolo possuem uma estrutura porosa e ...

Discussão

Os métodos apresentados neste trabalho descrevem a fabricação de fotanodes nanofibrosos eficientes para dispositivos fotocatalíticos, como DSSCs. Electrospinning é uma técnica muito versátil para a fabricação de nanofibras, mas um certo nível de habilidade e conhecimento é necessário para obter materiais com morfologias ótimas. Um dos aspectos mais críticos para a obtenção de nanofibras boas é a preparação da solução precursora: existem alguns fatores fundamentais, como a concentração do polímero transportador e a escol...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
titânio (IV) n-butóxido	Sigma-Aldrich	244112
Polivinilpirrolidona	Sigma-Aldrich	437190
ácido acético glacial	Sigma-Aldrich	A6283
Etanol, absoluto	Fisher Scientific	E / 0650DF / 17
Frascos de amostra de 20 mL	(qualquer)		(ou volume maior)
agulha descartável 21G	(qualquer)
lixa de grão P150	(qualquer)
seringa descartável de 10mL	(qualquer)		(ou volume maior)
agitador magnético + barra de agitação	(qualquer)
Bomba de seringa PHD 2000	Harvard Apparatus	71-2002	(ou qualquer outra bomba de seringa capaz de produzir um fluxo de 1mL / h
Alumínio folha	(qualquer)
Placa coletora de aço inoxidável	(personalizada)
Fonte de alimentação de alta tensão	Gamma High Voltage Research, Inc	ES30P-10W	(ou qualquer outra fonte de alimentação capaz de produzir +15 kV Escudo
protetor de policarbonato	(construído sob medida)
Cadinho de cerâmica	(qualquer)
Mufla forno	(qualquer)
Dióxido de titânio, nanopó	Sigma-Aldrich	718467
50 mL Frascos de fundo redondo de 1 pescoço	(qualquer)
sonicador de banho	(qualquer)
Terpineol	Sigma-Aldrich
Evaporador rotativo	(qualquer)
FTO vidro	Solaronix	TCO30-10/LI
Fita adesiva	qualquer)
lâmina de barbear	(qualquer)
SEM	JEOL	6500F
XRD	PANalytical	X'pert Pro
Titanium Tetrachloride	Sigma-Aldrich	89545
Ruthenizer  535-bisTBA	Solaronix	N719
filme de vedação	Dyesol	Meltonix 1170-25
Pt-coated FTO	Solaronix	TCO30-10/LI
1-propyl-3-methylimidazolium iodide	Sigma-Aldrich	49637
Iodo	Sigma-Aldrich	207772
benzimidazol	Sigma-Aldrich	194123
3-Metoxipropionitrila	Sigma-Aldrich	65290
Medidor de fonte digital	Keithley	2400
Simulador Solar	Abet technologies	10500

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