Name: Captação de energia solar por meio da carga de separação de nanocristais e seus sólidos (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-08-23T12:03:00.000+00:00
Duration: 13 min 29 s
Description: Aprenda a fabricar nanocristais semicondutores fotossensíveis e filmes para captação de energia solar. Este método demonstra o acoplamento inorgânico direto entre absorvedores de luz e catalisadores, melhorando a eficiência fotocatalítica e fotovoltaica.

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Nós gostaríamos de agradecer o Dr. Felix Castellano (BGSU) e NR Neal para discussões conselhos e valioso. Agradecemos Obor &quot;Material Networks&quot; do programa e Bowling Green State University de apoio financeiro. Este trabalho foi parcialmente financiado pela NSF sob Prêmio CHE - 1112227.

1. Síntese de Nanocristais Núcleo ZnSe 8 <ol><li> Colocar 7,0 g APD e uma barra de agitação magnética num balão de três tubuladuras. </li><li> Num frasco separado, combinam 0,063 g de Se e de 2,4 TOP ml e adicionar uma barra de agitação magnética. A mistura de TOP e selênio deve ser desgaseificada sob vácuo durante 30 min. </li><li> Degas APD durante 90 min a 120 ° C, em seguida, colocada sob fluxo de Ar com uma descarga de vidro de largura. </li><li> ODA calor a 300 ° C e, e injectar mistura de Se. Deixe retorno temperatura de 300 ° C. </li><li> Injectar 1,0 mL de Et 2 Zn (10% em peso. Em hexano) para o balão de reacção e deixa-se reagir a 265 ° C durante cerca de 3 minutos, ou até que o pico de absorvância exciton desloca-se para um comprimento de onda desejado (λ = 350-400 nm), em que retirar o balão da manta de aquecimento. </li><li> Uma vez que a temperatura do balão de reacção cai para ~ 60 ° C, adicionar 12 ml de metanol e dividida entre dois tubos de centrífuga de 15 ml, cobrindo-se com metanol. Centrifugar durante 5 minutos e decantara fase líquida. Deitam os nanocristais precipitados em tolueno e repetir. </li></ol> 2. Crescimento de Rods CDS sobre ZnSe Núcleos 9 <ol><li> Combinar 3,0 g TOPO, 0,280 g ODPA, 0,080 g HPA, e 0,090 g de CdO e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão de três tubuladuras. </li><li> Num frasco separado, combinam 0,120 g S, e 4,0 ml TOP e adicionar uma barra de agitação magnética. </li><li> CdO Degas solução durante 45 min a 150 ° C e TOP durante 45 min a 120 ° C, em seguida, colocada sob fluxo de Ar com escapes de vidro grandes. </li><li> Aquecer a solução para CdO 380 ° C até que CdO é dissolvido ea solução é límpida e incolor. Ao mesmo tempo, aquecer a solução S e 120 ° C até que S é dissolvido e a mistura é transparente e incolor. </li><li> Adicionar todo o ZnSe da etapa 1 para a solução de S. </li><li> Adicionar 2,0 ml de solução para o TOP Cd e deixar que o retorno à temperatura de 380 ° C. Uma vez que 380 ° C é atingida, imediatamente injectar a solução de S na solução de Cd. </li><li>Permitir que o nanorods a crescer para 6-9 min, incluindo o tempo de recuperação da temperatura, e retirar o balão da manta de aquecimento. Quanto mais tempo a solução é deixada no calor, o mais longo dos varões será. </li><li> O produto pode ser um gel verde, adicionar clorofórmio para liquefazer e dividido em dois frascos. </li><li> Nanocristais precipitado em etanol, decantar a fase líquida, e redissolver os precipitados nanocristais em clorofórmio. </li></ol> 3. Crescimento do Pt Dica em CDs Rods 10 <ol><li> Combine 0,2 ml OA, 0,2 ml oleilamina, 10 ml de éter difenílico, e 43 mg de 1,2-hexadecanediol e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão. </li><li> Desgaseificar a mistura durante 1 hora a 80 ° C, em seguida, colocada sob fluxo de Ar e aumentar a temperatura até 200 ° C. </li><li> Adicionar uma mistura de CdS hastes em clorofórmio e 20 mg de acetilacetonato de Pd (II). Depois de 5-7 minutos da mistura de reacção ser a 190 ° C, a solução torna-se preta. Retirar o balão do calor. </li><li> Nanocristais precipitar em um 1Mistura 0:03 de metanol em clorofórmio, com uma centrifugadora e decantar a fase líquida. Redissolver os cristais precipitados em clorofórmio e de repetição. </li></ol> 4. Troca de ligantes com MUA 11 <ol><li> Num frasco pequeno, dispersar nanorods em 10 ml de clorofórmio. </li><li> Adicionar 0,1 g de solução de MUA nanorod e sonicar até que todo o MUA é dissolvido. </li><li> Num frasco separado, dissolve-se 0,1 g de KOH em 20 ml de água destilada tripla (TDW). </li><li> Adicionar aproximadamente 5,0 ml de solução de TDW à solução nanorod e agitar vigorosamente. </li><li> Centrifugar a mistura a partir do passo 4,4 a 6000 rpm durante 1 min para separar as fases aquosa e orgânica. </li><li> Recolher a fase (aquosa) de topo e adicionar metanol para obter uma solução que é de 3:1 metanol para a água. </li><li> Centrifugar a mistura a partir do passo 4,6 a 6000 rpm durante 2 min para precipitar os nanocristais. Deitar fora a fase líquida e redispersar os cristais precipitados por sonicação em TDW. </li><li> Se o ofase rganic no passo 4.5 ainda retém alguma da cor da solução de nanocristais original, repetir as etapas de 4,4 por 4,7. </li></ol> 5. Síntese de PbS Núcleos (Adaptado de ref. 12) <ol><li> Combinar 0,49 g PbO, 18 ml ODE, e 1-16 ml OA (dependendo do tamanho desejado, os rendimentos mais partículas maiores OA) e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão de três tubuladuras. </li><li> Num frasco separado, adicionam-se 10 ml ODE e uma barra de agitação magnética. </li><li> Degas ambos os frascos para 1 hora a 120 ° C, em seguida, colocar sob fluxo de Ar. </li><li> Aquece-se a solução de Pb a 135 ° C. Enquanto isso, arrefecer o balão contendo apenas ODE à temperatura ambiente. </li><li> Adicionar 0,21 ml de TMS ODE temperatura ambiente, e depois injectar a mistura na solução de Pb a 135 ° C. </li><li> Aquecer a mistura a 135 ° C durante 1-5 minutos (dependendo do tamanho desejado, os rendimentos mais longos de aquecimento as partículas maiores), e colocar num banho de gelo para terminar a reacção. </li><li> Nanocristais precipitado em acetona destilada, derrame def a fase líquida, e redissolver os cristais precipitados em tolueno. Repita mais duas vezes. </li></ol> 6. Crescimento de CdS Shell na PBS Cores 13 <ol><li> Combinar 1,0 g CdO, 6 ml de OA, e 15 ml ODE e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão de três tubuladuras. </li><li> Num balão separado, adicionar 20-40 mg de núcleos de PbS dissolvidos em tolueno e uma barra de agitação magnética. </li><li> Aquece-se a solução CdO a 280 ° C até que a solução é límpida e incolor, e depois arrefecer a 100 ° C. </li><li> Aquece-se a solução de PBS a 110 ° C durante não mais do que 5 minutos para evaporar o excesso, mas não todo, o solvente, em seguida, injectar a solução de Cd. </li><li> Lentamente, aquecer a mistura reaccional até 120-160 ° C (dependendo da espessura da casca desejado). Para casca fina (1-2 monocamadas) extinguir a reacção imediatamente após a injecção da solução de Cd. </li><li> Uma vez que a temperatura desejada seja atingida, extinguir a reacção, colocando o frasco num banho de gelo. </li><li> Precipitar cristais em etanol, pour para fora da fase líquida, e redissolver os cristais precipitados em tolueno. Repita duas vezes. No ciclo de limpeza final, redissolver e armazenar os cristais em octano anidro. </li></ol> 7. Preparação de TiO2 na FTO / substratos de vidro <ol><li> Lavar a mão no vidro FTO revestido com detergente (Alconox) e enxágüe com água deionizada. </li><li> Sonicar o vidro em metanol, acetona, em seguida isoproponal, durante 5 min cada, e seca com um fluxo de Árgon. </li><li> Colocar o copo num banho de 75 mM de TiCl 4 em água desionizada e calor (no ar) durante 30 min a 70 ° C. </li><li> Lavar o copo com água desionizada e seca com Ar, em seguida, o calor (no ar) a 450 ° C durante 1 hora e deixar arrefecer até à temperatura ambiente. </li><li> Enquanto o vidro está a arrefecer, dissolvem-se TiO 2 na pasta Dyesol terpinol na proporção de 3:1 em peso. </li><li> Colocar 3 gotas da mistura de TiO 2 no centro do lado FTO de uma lâmina de vidro seco, que tenha sido tratado com TiCl4 umad centrifugação durante 6 segundos a 700 rpm e 1 min a 2000 rpm. </li><li> Hibridar a corrediça ao ar a 450-500 ° C até que o filme torna-se castanha e depois limpa. </li></ol> 8. Revestimento girar PbS / CDS em um filme <ol><li> Todos os passos de centrifugação de revestimento são realizadas num glovebox árgon. </li><li> Colocar 4-5 gotas de PBS / CdS em octano (10 mg / ml) sobre uma lâmina continua a partir do passo 7 e deixe espalhar até que o centro começa a secar, em seguida girar durante 5 segundos a 600 rpm, em seguida 15 segundos a 2500 rpm. </li><li> Colocar 10 gotas de uma MPA 1:3: solução de metanol na corrediça, cobrindo totalmente a superfície, e centrifugação durante 5 segundos a 600 rpm, em seguida 15 segundos a 2500 rpm. </li><li> Lavar a superfície com metanol colocando 10 gotas sobre a lâmina e fiação durante 5 segundos a 600 rpm, em seguida 15 segundos a 2500 rpm. </li><li> Lavar a superfície com octano pelo método idêntico ao descrito no passo 8.4. </li><li> Repita os passos de 8,2-8,5 para cada camada subsequente do filme. </li><li> Hibridar a película depois de cada terceira camada a 150 ° C durante 15 min. O final filme deverá ter uma absorvência próximo de 1,5 ao comprimento de onda do pico da NC. </li></ol> 9. Dip Coating PBS / CdS Films <ol><li> Prepara-se uma solução de 0,43 g de acetato de cádmio em 80 ml de metanol num copo grande o suficiente para submergir completamente a amostra. </li><li> Prepara-se uma solução de sulfureto de sódio nona-hidrato (Na 2 S 2 O • 9H) em 80 ml ​​de metanol num copo grande o suficiente para submergir completamente a amostra. </li><li> Submergir a amostra por 1 min no banho de cádmio, e enxágüe com metanol. Em seguida, mergulhe por 1 min no banho Sulfer, e enxaguar com metanol. </li><li> Repita o passo até 9,3 poros são preenchidos (geralmente 4-8 vezes). </li><li> Hibridar amostra a 150 ° C durante 15 min. </li></ol> 10. Tratar Films com CTAB 14 <ol><li> Colocar 0,25 ml de CTAB, dissolvido em metanol, a uma concentração de 10 mg / ml, em filme a partir do passo 9 e deixe descansar durante 1 min, em seguida girar a 2.500 rpm durante 30 segundos. </li&gt; <li> Lavar a lâmina com 10 gotas de metanol e de rotação até à secura. </li><li> Repita 10.1 e 10.2, uma vez. </li></ol> 11. Resultados representativos A evolução dos espectros de absorção e emissão correspondendo a ZnSe / CdS / Pt NCs durante cada passo da síntese é controlado na Figura 1. Pode ser visto que a Figura 1b expressa picos de absorvância a 350 nm e ~ ~ 450, característico de ZnSe e CdS, respectivamente, e, mais notavelmente, apresenta agora o aparecimento de um pico a ~ FL 550 nm. Esta característica FL é um resultado da deterioração excitônicas emissiva através do ZnSe / interface CdS. Este tipo II interdomain FL é então temperada por meio do crescimento da ponta Pt (Figura 1c), devido à rápida injecção de electrões deslocalizados para a porção de metal. Esta separação de cargas ultra-rápida permite a utilização de electrões para a redução catalítica de água. Ligantes hidrofílicos MUA são então adicionados para facilitar the remoção do furo a partir do domínio ZnSe, aumentando a estabilidade de inibição da oxidação do núcleo de semicondutores, tendo em conta a redução sustentada de energia solar H 2 (Figura 2). Como resultado do orifício de limpeza, os ligantes orgânicos tornam-se susceptíveis a fotodegradação, mas isso pode ser simplesmente reduzidos pela adição de ligandos frescos, como pode ser visto na Figura 2. Assim, não da introdução de ligantes hidrofílicos só tornar o solúvel NCs água, mas também ajustar a energética do sistema para proteger a nanoestrutura no custo da barata, fácil de substituir surfactantes orgânicos. Para sólidos nanocristais PbS / CdS, Figura 3a e 3b mostra um diagrama esquemático do processo de fabrico e o dispositivo final. Figura 3c, uma imagem TEM de nanocristais de núcleo / invólucro, mostra que os infiltrados CdS uniformemente em torno do núcleo de PBS. O sólido nanocristais é mostrado para ser relativamente livres de poros emFigura 3d, uma imagem SEM da secção transversal de um dispositivo. Um resultado do crescimento concha, que é observável, é um blueshift tanto a absorvância e picos de emissão. Esta mudança é atribuída ao núcleo PbS encolhimento como os iões Cd continuar a infiltrar-núcleo, e pode ser visto na Figura 4. Um grande aumento na emissão pode também ser visto na Figura 4, devido ao confinamento quântico proporcionado pelo invólucro CdS. A camada de CdS, não só aumenta a emissão, como também protege o núcleo, o aumento da estabilidade térmica do sólido, até cerca de 200 ° C, cerca de 50 ° C mais elevada do que a dos nanocristais PbS sólido sozinho. As células solares construídos usando esta arquitetura nanocristais sólido não só têm mostrado melhor estabilidade térmica, mas têm também sido demonstrado que têm tensões de circuito aberto superior (tão elevada como 0,7 V) do que os filmes relacionados organicamente ligados. Estes filmes mostraram também uma tolerância muito maior para atmosferas de oxigênio, com duração de sdia árias em condições atmosféricas normais sem degradação. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig1.jpg" /> Figura 1. Propriedades ópticas de heteronanocrystals fabricados. (A). A absorvância de ZnSe NCs mostrando uma característica excitônicas em λ = 390 nm. Emissão de curativo não foi observada para estas amostras. (B). Emissão e absorção de ZnSe / CDS nanorods cultivadas a partir de ZnSe núcleo CNs. (C). Absorvância de ZnSe / CDS nanorods após a deposição Pt. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig2.jpg" /> Figura 2. Evolução da produção de hidrogênio em MUA tampado ZnSe / CDS / Pt heteronanocrystals. A produção de hidrogênio é retomada com a adição de novos ligantes para o ZnSe / CDS / nanopartículas de Pt. A taxa de produção de H2 (o declive da curva experimental) após a adição de ligantes de fresco (8-12<html> hr) é aproximadamente a mesma que antes da degradação inicial (0-8 horas). <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig3.jpg" /> Figura 3. Representação esquemática de (a) os passos envolvidos no fabrico de nanocristal sólidos e (b) o dispositivo fotovoltaico final. Abaixo estão as imagens de SEM (c) principais PbS / CDS / shell nanocristais e (d) uma vista lateral do sólido nanocristais. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig4.jpg" /> Figura 4. Mudanças na absorção (parte inferior) e de emissão (do topo da PbS NCs resultante da deposição de aproximadamente uma monocamada da concha CdS. O encolhimento do núcleo PbS a partir da troca de catiões é reflectida como uma mudança ≈ 150 nm, em ambos espectros. A intensidade de fluorescência, PbS é melhorada devido à formação de heteroestrutura tipo 1. &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; ve_content sempre &quot;&gt; <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig5.jpg" /> Figura 5. Representação esquemática do alinhamento em nível de energia (a) ZnSe / CDS / Pt core / haste / estruturas de ponta e (b) ZnTe / CDS / Pt core / haste / ponta estruturas. A escolha dos materiais adequados é de extrema importância nestes dispositivos, como buracos de estruturas ZnTe semeados sentar-se em um nível de energia que faz com que viajar para o ligante desfavorável.

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Não há conflitos de interesse declarados.

Este estudo demonstra como arquitecturas de compósitos de nanocristais inorgânicos podem ser empregues para conseguir uma separação espacial de cargas fotoinduzidas. Em particular, estes compósitos permitir o ajuste fino da distribuição de cargas em todo os dois domínios, que são, então, disponível para realizar qualquer função fotocatalítica ou fotovoltaica. Por exemplo, fotocatalisadores eficientes pode ser feita caso de doadores e aceitadores de nanocristais domínios são construídos numa única nanopartícula. A energé...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome do reagente </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentários (opcional) </td></tr><tr><td> octadecilamina (ODA), 90% </td><td> Pescador </td><td> AC12932-0050 </td><td></td></tr><tr><td> selênio (Se), malha 200 </td><td> Acros </td><td> AC19807-2500 </td><td></td></tr><tr><td> tri-n-octylphosphine (TOP), 97% </td><td> Strem </td><td> 15-6655 </td><td> Ar Sensitive </td></tr><tr><td> dietil zinco (Et2Zn), 10% em peso. </td><td> Aldrich </td><td> 22080 </td><td> Ar, sensível Luz </td></tr><tr><td> metanol, 99,8%, anidro </td><td> Aldrich </td><td> 179337 </td><td></td></tr><tr><td> tolueno, 99,8% anidro </td><td> Aldrich </td><td> 244511 </td><td></td></tr><tr><td> tri-n-octylphosphine óxido (TOPO), 99% </td><td> Aldrich </td><td> 223301 </td><td></td></tr><tr><td> n-octadecylphosphonic ácido (ODPA), 98% </td><td> Síntese PCI </td><td> 104224 </td><td></td></tr><tr><td> hexylphosphonic ácido (HPA), 98% </td><td> Síntese PCI </td><td> 4721-24-8 </td><td></td></tr><tr><td> óxido de cádmio (CdO), 99,99% </td><td> Aldrich </td><td> 202894 </td><td></td></tr><tr><td> enxofre (S), 99,999% </td><td> Acros </td><td> AC19993-0500 </td><td> Odor forte </td></tr><tr><td> 11-mercaptoundecanoic ácido (MUA), 95% </td><td> Aldrich </td><td> 450561 </td><td></td></tr><tr><td> hidróxido de potássio (KOH) </td><td> Acros </td><td> AC13406-0010 </td><td></td></tr><tr><td> clorofórmio </td><td> VWR </td><td> EM-CX1059-1 </td><td></td></tr><tr><td> óxido de chumbo (PbO), 99,999% </td><td> Aldrich </td><td>32.306-1KG </td><td></td></tr><tr><td> 1-octadeceno (ODE), 90% </td><td> Aldrich </td><td> O806-25ML </td><td></td></tr><tr><td> ácido oleico (OA), 90% </td><td> Aldrich </td><td> O1008-1G </td><td></td></tr><tr><td> bis sulfito (trimetilsililo) (TMS), grau de síntese </td><td> Aldrich </td><td> 283134-25G </td><td> Ar odor, sensível forte, altamente reactivo </td></tr><tr><td> acetona </td><td> Merck Química </td><td> AX0118-2 </td><td></td></tr><tr><td> acetato de cádmio </td><td> Acros </td><td> AC31713-5000 </td><td></td></tr><tr><td> nonahidrato sulfureto de sódio (Na 2 S 2 O • 9H), 98% </td><td> Alfa Aesar </td><td> CB1100945 </td><td> Sensível à luz </td></tr><tr><td> brometo de hexadeciltrimetil amônio (CTAB), 99% </td><td> Sigma </td><td> H6269-100G </td><td></td></tr><tr><td> oleilamina, 70% </td><td> Aldrich </td><td> O7805-5G </td><td></td></tr><tr><td> éter difenílico </td><td> Alfa Aesar </td><td> 101-84-8 </td><td></td></tr><tr><td> 1,2-hexadecanediol </td><td> TCI </td><td> 6920-24-7 </td><td></td></tr><tr><td> Pt acetilacetonato (II), 97% </td><td> Aldrich </td><td> 282782-5G </td><td></td></tr><tr><td> isopropanol, 99,8% anidro </td><td> Acros </td><td> AC32696-0025 </td><td></td></tr><tr><td> tetracloreto de titânio (TiCl4), 99,9% </td><td> Aldrich </td><td> 697079-25G </td><td> Extremamente sensível ao ar </td></tr><tr><td> dióxido de titânio, DSL 90T </td><td> Dyesol </td><td> DSL 90T </td><td></td></tr><tr><td> terpineol </td><td> MP Biomédica </td><td> 98-55-5 </td><td></td></tr><tr><td> Ácido 3-mercaptopropiónico (MPA), 99% </td><td> Alfa Aesar </td><td> A10435 </td><td> Odor forte </td></tr><tr><td> octano, anidro, 99% </td><td> Aldrich </td><td> 412236 </td><td></td></tr></tbody></table>

captação de energia solar por meio da carga de separação de nanocristais e seus sólidos

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjugando materiais semicondutores diferentes em um único nano-compósito fornece meios sintéticos para o desenvolvimento de novos materiais optoelectrónicos que oferecem um controle superior sobre a distribuição espacial dos portadores de carga através de interfaces de material. Como este estudo demonstra, uma combinação de dador-aceitador de nanocristais (NC) os domínios de uma nanopartícula único pode conduzir para a realização da eficiência fotocatalítica 1-5 materiais, enquanto que um conjunto de camadas de doadores e aceitador de nanocristais como filmes dá origem a fotovoltaica materiais. Inicialmente, o trabalho se concentra na síntese de compostos inorgânicos nanocristais, compreendendo ZnSe linearmente empilhados, CDS e domínios PT, que em conjunto promovem a separação de cargas fotoinduzida. Essas estruturas são usadas em soluções aquosas para a fotocatálise de água sob a radiação solar, o que resultou na produção de H2 gasoso. Para melhorar a separação de fotoinduzidacargas, uma morfologia nanorod com um gradiente linear de origem de um campo eléctrico intrínseca é utilizada 5. A energética inter-domínios são então optimizados para conduzir electrões fotogerados em direcção ao local catalítico Pt enquanto os orifícios de expulsão para a superfície de domínios de ZnSe para regeneração sacrificial (via metanol). Aqui, mostramos que a única forma eficaz de produzir hidrogénio é a utilização de dadores de electrões ligantes para passivar os estados de superfície por meio do ajuste do alinhamento nível de energia na interface semicondutor-ligando. Redução estável e eficiente da água é permitido por estes ligandos, devido ao fato de que as vagas na banda de valência do domínio semicondutor, evitando buracos energéticos de danificá-la. Especificamente, mostra-se que a energia do furo é transferido para a porção de ligando, deixando o domínio funcional de semicondutores. Isso nos permite retornar o sistema nanocristais-ligante toda para um estado funcional, quando os ligantes são degradados, Pela simples adição de ligandos frescos para o sistema 4. Para promover uma separação de carga fotovoltaica, usamos um sólido de duas camadas composto de dois filmes de PbS e TiO. Nesta configuração, os electrões fotoinduzida são injectados TiO 2 e são, subsequentemente, retirada por um eléctrodo FTO, enquanto que os furos são canalizados para um eléctrodo de Au através de PbS camada 6. Para desenvolver este último, apresentamos um semicondutor Matrix Matrizes encapsulados nanocristal (Smena), estratégia que permite a ligação PbS CNs na matriz circundante de semicondutor CdS. Como resultado, os sólidos fabricados exibem excelente estabilidade térmica, atribuído à estrutura heteroepitaxial de nanocristais de matriz interfaces, e mostrar o desempenho decolheita convincente em células solares protótipo 7.

Uma estratégia geral para o desenvolvimento de carga de separação de compostos semicondutores nanocristais implantáveis ​​para a produção de energia solar é apresentada. Mostra-se que a montagem de domínios dador-aceitador de nanocristais de uma geometria de nanopartículas único dá origem a uma função fotocatalítica, enquanto bulk-heterojunções de dador-aceitador de nanocristais películas podem ser usados ​​para a conversão da energia fotovoltaica.

Captação de energia solar por meio da carga de separação de nanocristais e seus sólidos

A junção de diferentes materiais semicondutores em um único nanocompósito fornece meios sintéticos para o desenvolvimento de novos materiais optoeletrônicos ...

O objetivo geral deste procedimento é fabricar nanocristais fotossensíveis e filmes de nanocristais. Isso é realizado primeiramente fabricando o componente doador de elétrons de selineto de zinco. O segundo passo é fazer o crescimento epitaxial do selineto de zinco com o componente aceitador de elétrons de sulfeto de cádmio.Em seguida, o catalisador metálico é depositado sobre a nanopartícula doadora aceitadora de selênio de zinco e sulfeto de cádmio para a síntese de filmes fotoativos de nanocristais semicondutores. A incorporação de arranjos de nanocristais de sulfeto de chumbo em uma matriz de sulfeto de cádmio é então demonstrada. Por fim, a atividade fotocatalítica tanto de nanocristais isolados de selênio de zinco, sulfeto de cádmio e platina, quanto de filmes de sulfeto de chumbo e sulfeto de cádmio é demonstrada. Assim, a principal vantagem desta técnica em relação aos métodos existentes é que ela permite o acoplamento direto, totalmente inorgânico, do absorvedor de luz e do catalisador.Acreditamos que este método possa contribuir para a pesquisa contínua na área de fotocatálise. Embora os materiais fabricados tenham sido projetados principalmente para a produção de hidrogênio, eles também podem ser aplicados em outras funções catalíticas, como a redução de poluentes orgânicos ou a divisão da água. Nossas nanopartículas foram projetadas para facilitar a conversão rápida da luz solar absorvida em energia química ou elétrica utilizável.Consequentemente, as implicações desta técnica estendem-se para o desenvolvimento de materiais fotocatalíticos e fotovoltaicos. Em geral, indivíduos novos neste método enfrentarão dificuldades devido à complexidade da síntese dessas estruturas. Para iniciar a síntese, coloque ODA em um balão de três bocas com um bastão de agitação magnética.Em um frasco separado, combine selênio e TOP. Adicione uma barra magnética de agitação ao frasco. A mistura de TOP e selênio deve ser desgaseificada sob vácuo por 30 minutos.Em seguida, coloque a mistura sob fluxo de argônio com um exaustor de vidro largo. Após aquecer o ODA até 300 graus Celsius, injete a mistura de selênio e, em seguida, injete rapidamente uma solução a 10% de zinco datico em hexano ou tolueno. Reaja a 265 graus Celsius por cerca de quatro a cinco minutos ou até que o pico de absorvância de excitação se desloque para o comprimento de onda desejado.Neste ponto, remova o frasco do manto de aquecimento. Assim que a temperatura do frasco de reação cair para aproximadamente 60 graus Celsius, adicione cinco mililitros de clorofórmio morno e 12 mililitros de metanol morno. Divida a reação entre dois tubos de centrífuga de 15 mililitros, completando com metanol após centrifugar por cinco minutos, despeje a fase líquida, redissolva o nanocristal precipitado em clorofórmio e repita para o crescimento de bastonetes de sulfeto de cádmio.Combine quantidades pré-medidas de topo O-D-P-A-H-P-A e óxido de cádmio. Em um balão de três bocas. Adicione uma barra de agitação magnética para misturar em um balão separado contendo uma barra de agitação magnética.Misture quantidades pré-medidas de enxofre e TOP. Desgaseifique a solução de óxido de cádmio por 45 minutos a 150 graus Celsius. Enquanto isso, desgaseifique a solução de TOP por 45 minutos a 120 graus Celsius. Após a desgaseificação, coloque tanto a solução de óxido de cádmio quanto a solução de TOP.Sob fluxo de argônio com exaustão de vidro larga, aqueça a solução de óxido de cádmio até 380 graus Celsius até que o óxido de cádmio esteja dissolvido e a solução fique límpida e incolor. Aqueça a solução de enxofre até 120 graus Celsius até que o enxofre esteja dissolvido e a mistura também fique límpida e incolor. Em seguida, adicione um quinto do selreto de zinco da seção anterior à solução de enxofre.Adicione 2,0 mililitros de TOP à solução de cádmio e aguarde a temperatura se recuperar até 380 graus Celsius. Em seguida, injete a solução de nanocristais de enxofre na solução de cádmio para promover o crescimento de bastonetes. Certifique-se de que a solução permaneça acima de 345 graus Celsius.Deixe os nanobast&otilde;es crescerem por seis a nove minutos ap&oacute;s a inje&ccedil;&atilde;o ser iniciada. Ap&oacute;s o crescimento dos nanobast&otilde;es, remova o frasco do manto aquecedor. Quanto mais tempo a solu&ccedil;&atilde;o permanecer no calor, mais longos os bast&otilde;es crescer&atilde;o.Neste ponto, o produto deve estar verde e altamente viscoso. Adicione clorofórmio para liquefazer o produto e divida em dois frascos. Em seguida, adicione etanol e centrifugue para precipitar os nanocristais após a centrifugação.Descarte a fase líquida e redissolva os nanocristais precipitados em clorofórmio. Prossiga com o crescimento de uma ponta de platina em uma das extremidades da nanobarra conforme descrito no protocolo escrito. Após o crescimento da ponta de platina, precipite e redissolva os nanocristais conforme instruído anteriormente, para completar a fabricação das nanopartículas doadoras e aceitadoras de célula de zinco e sulfeto de cádmio.Ligantes hidrofóbicos de ácido oleico são substituídos por ligantes hidrofílicos de MUA. Isso permite que uma estrutura seja suspensa em água, o que facilita seu uso na produção de hidrogênio. Os detalhes deste procedimento também podem ser encontrados no manuscrito escrito.A fabricação de filmes fotoativos de nanocristais semicondutores começa com a síntese de nanocristais de sulfeto de chumbo e o crescimento de uma camada de sulfeto de cádmio. Conforme detalhado no manuscrito escrito que acompanha este vídeo, o próximo passo é lavar manualmente a lâmina de vidro com codificação FTO usando detergente e enxaguar com água desionizada. Em seguida, sonique o vidro em banhos sucessivos de metanol, acetona e isopropanol por cinco minutos cada; após a sonicação, seque sob fluxo de argônio.Coloque o vidro em um banho de 75 milimolar de tetracloreto de titânio em água desionizada e aqueça por 30 minutos a 70 graus Celsius. Após a lavagem com água desionizada, seque o vidro com fluxo de argônio. Em seguida, aqueça o vidro a 450 graus Celsius no ar por uma hora.Uma vez que o vidro tenha esfriado até a temperatura ambiente, coloque três gotas de dióxido de titânio dissolvido em terpal no centro do lado FTO das lâminas pré-tratadas, girando durante seis segundos a 700 RPM e depois por um minuto. A 2000 RPM, aqueça a lâmina no ar a 450 graus Celsius até que o filme fique marrom e depois fique transparente. Todas as etapas de revestimento por rotação são realizadas em uma caixa de luvas da Argonne com o dióxido de titânio preparado nas etapas anteriores e a lâmina de vidro girando inicialmente a 3000 RPM; coloque uma gota por vez dos nanocristais previamente preparados de sulfeto de chumbo e sulfeto de cádmio sobre a lâmina em rotação e deixe secar. Em seguida, coloque 10 gotas de uma solução de MPA em metanol sobre a lâmina e deixe girar por alguns segundos.A superfície não secará completamente. Lave a superfície com metanol colocando 10 gotas sobre a lâmina. Em seguida, lave-a novamente com octano pelo mesmo método.Repita esses passos para cada camada subsequente do filme. Aqueça o filme após cada terceira camada a 150 graus Celsius por 15 minutos até que o filme atinja a espessura desejada. Prepare uma solução de acetato de cádmio em metanol em um béquer suficientemente grande para imergir completamente a amostra.Em seguida, prepare uma solução de sulfeto de sódio não hidratado em metanol, também em um béquer grande o suficiente para imergir completamente a amostra. Mergulhe a amostra por um minuto no banho de cádmio e enxágue com metanol. Em seguida, mergulhe a amostra por um minuto no banho de enxofre e enxágue com metanol.Repita este processo até que os poros estejam preenchidos, geralmente quatro a oito vezes. Em seguida, aqueça a amostra a 150 graus Celsius por 15 minutos sob argônio. Após a conclusão da fabricação da película de nanopartículas, o efeito fotovoltaico é acentuado, com uma tensão de cerca de 500 milivolts sob uma exposição de um sol a 1,5.Massas de ar. A evolução dos espectros de absorção e emissão correspondentes a nanoestruturas de zinco, seleneto, sulfeto de cádmio e platina. Em cada etapa da síntese é mostrada aqui.Os picos de absorção são observados em aproximadamente 350 nanômetros e 450 nanômetros, característicos de transições ex ciónicas do sulfeto de cádmio. Neste ponto, o nanocristal exibe mais notavelmente o início de um pico de fluorescência em torno de 550 nanômetros. Esta característica de fluorescência é resultado da decadência ex ciónica admissiva através da interface entre selênio de zinco e sulfeto de cádmio.Essa fluorescência interdomínio do tipo dois é então suprimida pelo crescimento da ponta de platina devido à injeção rápida do elétron deslocalizado na fração metálica. Essa separação de carga ultrarrápida permite a utilização do elétron para a redução fotocatalítica da água. Ligantes hidrofílicos de MUA são então adicionados para facilitar a remoção do buraco do domínio de selênio de zinco.Aumentar a estabilidade ao inibir a oxidação do núcleo semicondutor, permitindo a produção sustentada de hidrogênio solar. Como resultado da captura de lacunas, os ligantes orgânicos tornam-se suscetíveis à fotodegradação, mas isso pode ser simplesmente mitigado pela adição de ligantes frescos. Assim, a introdução de ligantes hidrofílicos não apenas torna o nanocristal solúvel em água, mas também ajusta a energetica do sistema para proteger a nanoestrutura à custa dos surfactantes orgânicos baratos e fáceis de substituir.É mostrada aqui uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão do núcleo e da camada de nanocristais de sulfeto de chumbo e sulfeto de cádmio, demonstrando que o sulfeto de cádmio se infiltra uniformemente ao redor do núcleo de sulfeto de chumbo. O sólido de nanocristais mostra-se relativamente livre de poros. Nesta imagem de microscopia eletrônica de varredura mostrando a seção transversal de um dispositivo, um dos resultados observáveis do crescimento da camada é um deslocamento para o azul (blue shift) tanto nos picos de absorvância quanto nos de emissão.Essa mudança é atribuída à contração do núcleo de sulfeto de chumbo à medida que os íons de cádmio penetram mais profundamente no núcleo. Um grande aumento na emissão também pode ser observado devido ao confinamento quântico aprimorado fornecido pela camada de sulfeto de cádmio. A camada de sulfeto de cádmio não apenas aumenta a emissão, mas também protege o núcleo.A camada de sulfeto de cádmio aumenta a estabilidade térmica do sólido até quase 200 graus Celsius, cerca de 50 graus Celsius acima de um sólido de sulfeto de chumbo. Nano cristais isolados. Ao realizar este procedimento, é importante lembrar-se de monitorar atentamente o crescimento dos cristais na síntese do núcleo de seleneieto de zinco.Além disso, certifique-se de que a temperatura não caia abaixo de 345 graus Celsius na síntese da barra de selênio de zinco, sulfeto de cádmio. Após assistir a este vídeo, você deverá compreender como criar materiais fotoativos, tanto em solução quanto na forma de filmes finos. Não se esqueça de que trabalhar com produtos químicos como TMS e metais pesados pode ser extremamente perigoso, e precauções, como ventilação adequada e o uso de equipamentos de proteção, devem sempre ser tomadas ao realizar este procedimento.

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Engenharia

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Integrando um Triplet-triplete Annihilation Sistema Up-conversion para melhorar Dye-sensibilizadas Response célula solar para a Luz Sub-bandgap

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