Name: Electrospinning de eletrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por corante (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 30 s
Description: Aprenda a fabricar fotoânodos por eletrofiação para células solares sensibilizadas por corante usando nanofibras inorgânicas unidimensionais. Este método melhora a eficiência do dispositivo em comparação com materiais nanocristalinos tradicionais.

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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. <ol><li> 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. </li><li> Use uma placa de agitação magnética para misturar a solução até se tornar homogênea e não se observarem bolhas. </li></ol> 2. Electrospinning e Calcination of the Nanofibers <ol><li> 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. </li><li> Montar a necessidadeLe em uma seringa descartavel de 10 mL. </li><li> Coloque uma parte da solução do precursor na seringa e coloque-a sobre a bomba da seringa. </li><li> 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. </li><li> Conecte a placa do coletor ao chão e a agulha à fonte de energia de alta tensão. </li><li> Coloque o escudo de proteção em torno da configuração. </li><li> Ajuste o caudal na bomba da seringa para 1 mL / h e comece a bombear. </li><li> 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. </li><li> Após a centrifugação estar concluída, desligue a fonte de alta tensão e a bomba da seringa. Remova a folha da placa do coletor. </li><li> Deixe as fibras descansarem oÀ noite e, em seguida, tire-os da folha de alumínio. </li><li> Coloque as fibras descascadas em um cadinho e coloque isso em um forno de mufla. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 3. Fabricação de eletrodos <ol><li> Preparação das suspensões <ol><li> Adicione 500 mg de pasta de dióxido de titânio a 20 mL de etanol num balão de fundo redondo. </li><li> Num balão separado, misture 500 mg dos TiO 2 -NF de electrospun com mais 20 mL de etanol. </li><li> Sonicate as soluções por 2 h usando um sonicador de banho. </li><li> Uma vez que se obtêm misturas uniformes, adicione 2 mL de terpineol a cada balão e submeta-se aOutros 15 min. </li><li> Evaporar o solvente de ambos os frascos usando um evaporador rotativo para obter as suspensões. </li></ol></li><li> Licenciamento e sinterização do médico <ol><li> Usando um cortador de diamante de vidro, corte um slide de vidro FTO-conductivo em um quadrado de 2 cm x 2 cm. </li><li> 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. </li><li> Deposite algumas gotas da pasta de TiO 2 -NP no centro exposto do slide. </li><li> Use uma lâmina de barbear para espalhar a suspensão uniformemente sobre a área exposta. </li><li> Depois de obter um revestimento uniforme, remova cuidadosamente a fita adesiva. </li><li> Coloque a corrediça revestida em um forno e sinterização a 500 ° C por 2 h. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 4. Caracterização NF <ol><li> Caracterização SEM <ol><li> 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. </li><li> Monte o talão em um suporte de amostra e carregue-o na câmara de troca do instrumento. </li><li> Configure as condições e os parâmetros do instrumento: ajuste a tensão de aceleração para 20 kV e a distância de trabalho para 10 mm. </li><li> Coletar imagens da amostra, certificando-se de que elas exibem a morfologia geral do material. </li></ol></li><li> Caracterização XRD <ol><li> Mole suavemente algumas nanofibras em um pó fino e espalhe-as uniformemente em um estágio XRD. </li><li> Coloque a amostra no difractômetro. </li><li> Configure os parâmetros de aquisição: use um ângulo de início de 10 °, um ângulo final de 80 °, umTamanho da etapa de 0,015 °. </li><li> Comece a aquisição dos dados XRD. </li></ol></li></ol> 5. Fabricação de células solares <ol><li> Tratar o fotoaneto com uma solução aquosa de TiCl4 a 75 ° C durante 45 min. Após o tratamento, lave com água desionizada e seque. </li><li> 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. </li><li> Coloque uma folha de filme de vedação sobre o fotoanodo sensibilizado para servir como uma junta termoplástica entre o fotoanodo e o contraeletrodo. </li><li> 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. </li><li> Aqueça a célula montada a 100 ° C durante 15 minutos para selar a junta. </li><li> 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. </li><li> Coloque a célula em um dessecador de vácuo para permitir que o mediador redox preencha o espaço interno da célula montada. </li></ol> 6. Caracterização da curva JV <ol><li> 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. </li></ol>

<ol><li>O'Regan, B., Grätzel, M. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v353/n6346/abs/353737a0.html">A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films.</a> Nature. 353 (6346), 737-740 (1991).</li>
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 <a target="_blank" href="http://electrospintech.com/hb-espinparameters.html ">http://electrospintech.com/hb-espinparameters.html </a> (2015).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

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...

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 &quot;meio condutor de furos&quot;. 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 , </sup&gt; 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.

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

electrospinning de eletrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por corante

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

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.

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 ...

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

Electrospinning de eletrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por corante

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

O objetivo geral deste trabalho é fabricar uma fotoânodo para células solares sensibilizadas por corante com desempenho aprimorado, utilizando eletrofiação. Os nanomateriais são excelentes. Eles apresentam propriedades químicas e físicas que não são encontradas nos materiais correspondentes em forma maciça.No entanto, se você tentar fabricar um dispositivo utilizando nanomateriais, isso pode tornar-se bastante difícil. Neste vídeo, mostramos como fabricar nanofibras inorgânicas unidimensionais e utilizá-las em um dispositivo de célula solar. A direcionalidade nas nanofibras faz com que os dispositivos tenham um desempenho muito melhor em comparação com dispositivos que utilizam apenas materiais nanocristalinos.Para preparar a solução precursora, coloque 10 mililitros de etanol absoluto, um mililitro de ácido acético glacial, cinco gramas de óxido de titânio(II) e um grama de PVP em um vial de amostra. Misture a solução até que fique homogênea e não se observem bolhas. Para obter uma nanoarquitetura unidimensional, vamos utilizar a eletrofiação.Uma técnica simples, porém bastante engenhosa, que nos permite obter nanofibras com vários micrômetros de comprimento e apenas algumas cente

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Engenharia

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Produção de combustível verde eletroquímico movido a energia solar a partir de CO2 e água usando catalisadores de CuZn e NiCo suportados por Ti3C2T x MXene

Silício policristalino de película fina de células solares em vidro são fabricados pela deposição de boro e fósforo camadas de silício dopado seguido por cristalização passivação defeito, e metalização. Plasmonic luz aprisionamento é introduzido através da formação de nanopartículas de Ag na superfície da célula de silício tapado com um reflector difusa resultando em ~ reforço fotocorrente 45%.

Silício policristalino de película fina de células solares com plasmonic avançada Luz-caça com armadilhas

Aprenda a fabricar fotoânodos por eletrofiação para células solares sensibilizadas por corante usando nanofibras inorgânicas unidimensionais. Este método melhora a eficiência do dispositivo em comparação com materiais nanocristalinos tradicionais.

Electrospinning de eletrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por corante

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