Vienodų ir stabilizatorių neturinčių savarankiškai surinktų platinos monosluoksnių, kaip dažų jautrinamų saulės elementų, elektrodų, nanofabrikacija | NPP Azijos medžiagos

Vienodų ir stabilizatorių neturinčių savarankiškai surinktų platinos monosluoksnių, kaip dažų jautrinamų saulės elementų, elektrodų, nanofabrikacija | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Projektavimas, sintezė ir apdorojimas
  • Saulės elementai

Anotacija

Mes pateikiame dviejų etapų dip-danga metodą, kai gaminami savaime surinkti vienkartiniai platinos nanokristalų (SAM-Pt), kurių dalelių dydis ∼ 3 nm ir kurie yra tolygiai nusodinami ant skaidraus laidžiojo oksido (TCO) paviršiaus, sluoksniai, kad jie tarnautų kaip priešinis elektrodas (CE) dažams jautriems saulės elementams (DSSC). Pirmame etape mes paruošėme poliolio tirpalą, kuriame yra H2 PtCl6 ir etilenglikolio 110 ° C temperatūroje ° C, kurioje redukcijos kinetika buvo kontroliuojama pridedant įvairių proporcijų NaOH. Antrame etape mes panardinome tiolio modifikuotą TCO substratą į poliolio tirpalą su monodispersinėmis Pt nanodalelėmis, paruoštomis esant pH 3, 7, esant maždaug 295 K, kad baigtume nanofabrikaciją. DSSC įtaisai, naudojantys dažiklį Z907 kaip fotojautrumą, ir CE, paruošti naudojant šį SAM-Pt metodą, pasiekė pastebimą fotoelektrinį našumą ( η = 9, 2%), palyginamą su įrenginiais, pagamintais naudojant įprastą šiluminio skilimo metodą ( η = 9, 1%) arba ciklinį elektrinio nusodinimo metodą. ( η = 9, 3%) tomis pačiomis eksperimentinėmis sąlygomis. Pabrėžiame, kad SAM-Pt plėvelės pasižymi švariu paviršiumi, vienoda morfologija, siauru pasiskirstymu pagal dydį, mažu Pt įkrovimu ir dideliu kataliziniu aktyvumu; todėl šis metodas yra tinkamas ne tik DSSC, bet ir daugeliui kitų su energija susijusių programų, kurioms reikalingas platinas kaip efektyvus katalizatorius.

Įvadas

Dažai jautrūs saulės elementai (DSSC) yra perspektyvūs energijos konversijos įtaisai, skirti švariai atsinaujinančiai energijai gaminti ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimui sumažinti, nes turi mažų sąnaudų, paprasto apdorojimo ir efektyvaus veikimo pranašumus. 1, 2 galios konvertavimo efektyvumas ( η ), kai šviesa paverčiama elektra didesnė kaip 11%, buvo gautas naudojant rutenio 3, 4, 5, 6 kompleksus ir cinko porfirinus 7, 8, jautrinamus nanoporose esančiose TiO 2 plėvelėse kaip fotoanodus, naudojant I - / I 3 - arba Co 2+ / Co 3+ redokso poros yra elektrolitai, o kaip priešelektrodai naudojami platinuotas laidus stiklas. 1 paveiksle pavaizduoti pagrindiniai DSSC komponentai ir jodo elektrolito reakcijos, susijusios su dviem elektrodais. Norint palaikyti dideles foto sroves, tekančias visame įrenginyje, jodo redukcijos reakcijai (IRR) suaktyvinti naudojamos CE medžiagos, pasižyminčios ypač aukšta elektrokatalitine savybe, tokios kaip platina (Pt). Ši reakcija paverčia tri-jodidinius anijonus (I 3 - ) į jodidinius anijonus (I - ) CE / elektrolito sąsajoje, kad būtų pakankamai I rūšių atkurti oksiduotų dažų molekules, kaip parodyta 1 paveiksle. Didelės Pt išlaidos tačiau pagrįstas CE yra pagrindinis rūpestis, ribojantis DSSC komercializavimą. Naujausi tyrimai sutelkė pastangas pakeisti Pt kitomis medžiagomis, kaip nebrangiomis alternatyvomis CE. 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, nors kai kurie neorganiniai junginiai turi katalitinį aktyvumą, panašų į Pt, į tris dimensijų matricą įdėtos storos plėvelės ir nanostruktūros turi būti nusodinamos. pasiekti tą patį katalizinį efektyvumą, dėl kurio kyla sukibimas ir nepermatomas CE elgesys. 13, 14 Pt ir toliau laikoma tinkamiausia medžiaga CE, o perspektyviausiuose prietaisuose, turinčiuose rekordinį energijos konvertavimo efektyvumą, yra platininiai CE. 6, 7, 8

Image

Schema, vaizduojanti DSSC prietaisą, kuriame pavaizduoti trys pagrindiniai komponentai - dažams jautrus TiO 2 darbinis elektrodas, jodido-trijodido elektrolitas ir platinuotasis priešpriešinis elektrodas. Redox reakcijos, susijusios su elektrolito ir dviejų elektrodų sąsajomis, yra dažų regeneracija (DR; kairieji raudoni pėdsakai) ir IRR (dešinieji žali pėdsakai). Centrinis geltonas apskritimas išryškina priešinio elektrodo, kurį sudaro savaime surinktos vienkartinės platinos (SAM-Pt) plėvelės, paviršiaus struktūrą.

Visas dydis

Projektuojant DSSC CE katalizatorius, turėtų būti vadovaujamasi šiomis penkiomis svarbiomis charakteristikomis: i) puikus katalizinis aktyvumas ir didelis paviršiaus plotas, siekiant pagerinti elektrokatalitines savybes; (ii) didelis elektros laidumas mažinant serijos varžą; iii) maža kaina, naudinga masinei gamybai; iv) lankstiems įtaisams tinkamas apdorojimas žemoje temperatūroje; ir v) puikus mechaninis tvirtumas (atsparumas lipnumui), siekiant pagerinti stabilumą, ypač lanksčių įtaisų atveju. Šiems reikalavimams įvykdyti buvo pritaikytos kelios strategijos. Pavyzdžiui, terminis skilimas (TD) ir dulkinimasis yra du standartiniai metodai plonam Pt sluoksniui paruošti ant skaidraus laidžiojo oksido (TCO) substrato kaip CE. TD reikalauja vėlesnio atkaitinimo esant aukštai temperatūrai, todėl lanksčių prietaisų neįmanoma; dulkinančiam nusodinimui reikia perdirbti ypač aukšto vakuumo sąlygomis, kai kameroje iššvaistomas didelis kiekis Pt, todėl jis nepalankus masinei gamybai.

Priešingai, tokiais elektrocheminiais būdais, kaip elektrodepozicija ir elektroforezinis nusodinimas, galima paruošti Pt sluoksnius maždaug 295 K temperatūroje. Taikydami šį metodą, mes pademonstravome vienodą Pt nanodalelių struktūrą, pagamintą naudojant ciklinį elektrodepoziciją (CED), pasižyminčią dideliais elektrokatalitiniais rodikliais ir lengvu išsklaidymo elgesys, siekiant pagerinti įrenginio veikimą. 19 Tačiau Pt kiekis yra problema praktiškai naudojant šį metodą komercializavimui.

Alternatyvūs cheminiai redukcijos būdai buvo sukurti kaip paprastas drėgnos chemijos metodas, leidžiantis gaminti Pt nanostruktūras, išdėstytas ant tvirto laidžio stiklo arba ant lanksčių laidžių plastikinių pagrindų. 20, 21 Naudojant NaBH4 kaip reduktorių, redukcijos metu buvo pridėta organinių ribojančių medžiagų, tokių kaip polimerai, paviršiaus aktyviosios medžiagos arba alkiltioliai, siekiant slopinti Pt nanodalelių (NP) agregaciją. Pavyzdžiui, Wei ir kt. 22 ir Wang ir kt. 21 naudojamas poli (N-vinil-2-pirolidonas) ir p- oktilo poli-etandiolio fenilo eteris (Triton), atitinkamai, kaip dangteliai, siekiant sukurti Pt nanoklasterius kaip CE medžiagą DSSC; Calogero ir kt. 20 panaudojo tetraoktilo amonio bromidą ir n- dodecilmercaptaną kaip gaubtuvus, kad būtų galima sintetinti Pt NP, kurių dydis nm 5 nm, kaip CE medžiagas DSSC. Šiais metodais, norint pašalinti organines apsaugines rūšis, reikėjo atkaitinti aukštoje temperatūroje (paprastai aukštesnėje nei 300 ° C), kad būtų išvengta iš pradžių blogų elektronų perdavimo ir sukibimo savybių Pt ir TCO sąsajoje. Atliekant tokį terminį apdorojimą, nanostruktūrų formas ir dydžius sunku kontroliuoti dėl jų deformacijos ar kaupimosi aukštoje temperatūroje. Nors Cho ir kt. 23, 24 pranešė apie poliolio redukciją ruošiant Pt CE DSSC, esant 160–180 ° C temperatūrai, sunku paruošti ploną Pt nanostruktūrų sluoksnį, kurio morfologija ir dydis būtų vienodai pasiskirstę TCO, esant temperatūrai arti 295 K, ypač, norint gauti puikios elektrokatalitinės funkcijos, didelio aktyvaus paviršiaus ploto ir efektyvaus sukibimo su pagrindu pranašumus. Kaip parodyta 1 paveiksle, šiame darbe parodyta įmanoma strategija, kaip paruošti savarankiškai surinktus Pt monosluoksnius (SAM-Pt) TCO paviršiuje dviem etapais, nepridedant paviršiaus aktyviosios medžiagos ar apsauginės medžiagos; tokiu būdu išvengiama papildomo kaitinimo etapo.

Rezultatai ir DISKUSIJA

TCO montuojamų vientisų Pt sluoksnių paviršiaus modifikacijos

Plonos PAM plėvelės, turinčios SAM pobūdį, paruošimo koncepcija apima TCO paviršiaus modifikavimą konkrečiomis funkcinėmis grupėmis, kurios stipriai sąveikauja su vienodais Pt NP, anksčiau paruoštais poliolio tirpale. 1 schema apibendrina visus pagrindinius SAM-Pt plėvelės paruošimo ant TCO substrato etapus dviem paviršiaus modifikacijomis. Pirmiausia TCO substratas buvo išvalytas karštu „piranos“ tirpalu, kad paviršiuje susidarytų aktyvios hidroksilo grupės (−OH). Apatinės kairiosios 1 schemos plokštės rodo, kad vandens sąlyčio su TCO substratu kampai sumažėja nuo 24, 5 ° iki 20, 3 °, nes po hidroksilinimo padidėja paviršiaus hidrofiliškumas. Antra, hidrofilinis TCO substratas buvo apdorotas bifunkciniu organosilano junginiu, kurio viena pusė turi funkcinę grupę, tokią kaip −NH2, −SH arba −COOH, kad galėtų sąveikauti su Pt NP, o kita pusė turėtų Si – O – Si ryšį. TCO paviršiuje sudaryti tankiai supakuotą silaninį SAM. Mūsų metodu OH modifikuotas TCO substratas buvo panardintas į tirpalą, kuriame 295 K temperatūroje buvo 3-merkaptopropilo (trimetoksisilanas) (MPTMS, 0, 56 M) etanolyje, kad būtų sukurta tiolio funkcionalizuota silano SAM plėvelė ant TCO. Po šio apdorojimo vandens kontaktinis kampas ant TCO paviršiaus padidėjo iki 70, 0 °, o tai atitinka literatūroje nurodytą (69 °) 25, ir tai patvirtina tankaus MPTMS monosluoksnio susidarymą TCO.

Image

Schema, vaizduojanti platinos nanodalelių, savarankiškai surinktų ant FTO pagrindo paviršiaus, pagaminimą, naudojant dviejų etapų panardinimo į dangą procedūrą.

Visas dydis

Monodispersinių Pt NP tirpalų, kontroliuojamų pH, paruošimas

Tirpalas, kuriame yra monodispersinių Pt NP, buvo paruoštas cheminiu būdu redukuojant poliolį. 26, 27, 28 etileno glikolis (EG) buvo naudojamas poliolio metodu, kad būtų naudojamas ne tik kaip tirpiklis H2 PtCl6 pirmtakui ištirpinti, bet ir kaip švelnus reduktorius, norint gauti reikiamo vienodo dydžio Pt NP. Xia ir kt. 26, 27 parodė, kad kontroliuojama Pt nanokristalų forma formuojama sintezė pasiekiama Pt pirmtako poliolio redukcijos metu, kai yra ribojamasis agentas ir Fe III rūšys, esant nedideliam kiekiui, be deguonies. Norint sukurti švarų paviršių SAM-Pt plėvelės nusodinimui TCO mūsų tikslams, reikia vengti bet kokių organinių ribojančių medžiagų ar joninių junginių buvimo poliolio tirpale. Užuot pridėję ribojamąjį agentą, kad apsaugotume redukuotus Pt NPs nuo tolesnio agregavimo, į poliolio tirpalus pridėjome įvairias NaOH proporcijas, kad galėtume kontroliuoti redukcijos greitį, kad susidarytų Pt NPs esant įvairioms pH sąlygoms. 23, 28, 29 SH modifikuotas TCO substratas buvo panardintas į Pt NP tirpalą, paruoštą 295 K temperatūroje 12 valandų, kad būtų baigtas SAM-Pt susidarymas ant švaraus TCO paviršiaus. Apatiniame dešiniajame 1 schemos skydelyje parodytas energiją išsklaidančio rentgeno spindulių spektrometro atvaizdas, vaizduojantis SAM-Pt ant fluoro legiruoto alavo oksido (FTO) stiklo pagrindo (taip pat parodyta papildomame S1 paveiksle), parodantis vienodą SAM morfologiją. -Pt NP sintetinamas be stabilizatoriaus ir kontroliuojamo pH sąlygomis.

Švarus, be paviršiaus aktyviųjų SAM-Pt paviršiaus, turinčio padidintą IRR aktyvumą, gavimas yra svarbus dalykas, kad būtų galima kontroliuoti Pt NP dydį pakankamai tolygiai poliolio tirpale. Mūsų požiūriu tirpalo pH buvo pakoreguotas 1, 5–5, 6 intervale, kad būtų galima kontroliuoti Pt NP susidarymą ir išvengti Pt NP sankaupos tirpale. PH poveikis Pt NP susidarymui buvo lengvai pastebimas iš suspensijų tirpaluose (2 pav.) Ir patvirtintas absorbcijos spektrais, parodytais 2 paveiksle. Pradinės medžiagos, gelsvos H2 PtCl 6 / EG tirpalas rodo maksimalią absorbciją 268 nm bangos intervale, priskirtą H2 PtCl6 pirmtako perėjimui, susijusiam su ligandų ir metalų krūvio perdavimu (LMCT). 30 Kai EG sumažino Pt IV iki Pt 0, absorbcija 268 nm bangoje sumažėjo ir, redukcijai pasibaigus, ji išnyko. Didelės dalelės sukelia Mei išsibarstymą, kurį rodo dideli poslinkiai absorbcijos spektre. Taigi, ofsetinė absorbcija buvo didelė, esant pH 1, 5 (be NaOH), ir mažėjo didėjant pH iki pH 3, 7, tai rodo, kad polioliu redukuotų Pt NP dydžiai turėjo tendenciją priklausyti nuo pH 1, 5> 2, 0> 3, 7. Esant pH 5, 6, redukcija buvo per lėta, kad būtų baigta per tipišką reakcijos periodą (4 val.); atitinkamas spektras išlaikė pirmtako LMCT charakteristiką. Kaip pastebėta šiame tyrime, redukcijos kinetika turi atlikti svarbų vaidmenį kontroliuojant kristalų augimą, kad susidarytų įvairių dydžių Pt NP.

Image

Kaip nurodyta, poliolio tirpalų UV / matomų absorbcijos spektrai esant įvairioms pH sąlygoms. Įdėtose nuotraukose matomi atitinkamų pradinių poliolių tirpalų vaizdiniai vaizdai.

Visas dydis

Pt NP agregacijos poveikis TCO įvairiomis pH sąlygomis

Mes pagaminome Pt ​​CE, naudodamiesi keturiais 2 pav. Parodytais poliolio tirpalais, padengdami panardinimo danga artimoje 295 K temperatūroje, kaip parodyta 1 schemoje. 3a – d pav. Parodyti TCO substratų, dekoruotų Pt NP tirpalais, paruoštais esant pH 1, 5, paviršiaus morfologija., 2.0, 3.7 ir 5.6 atitinkamai. Esant pH sąlygoms be pridėtos bazės, Pt IV rūšys buvo greitai sumažintos iki Pt 0 (mechanizmas bus aptartas), ir esant tokiai sąlygai buvo sunku sukurti vienodą kristalų augimą. Taigi aglomeracijoje Pt NP susidarė netaisyklingi nanoklasteriai, netolygiai dengiantys TCO substrato paviršių (3a pav.). Esant pH 2, 0, Pt nanoklasteriai tapo mažesni ir agreguoti, kad susidarytų į šaką panaši struktūra; tačiau dydžio pasiskirstymas ir paviršiaus padengimas vis dar buvo menkas (3b paveikslas). Kai pH buvo padidintas iki 3, 7, buvo pastebėta vienoda Pt NP, kurių dalelių dydis mažesnis nei 10 nm, morfologija (3c paveikslas), kuris atitinka energiją išsklaidančio rentgeno spinduliuotės spektrometro atvaizdavimo elementinio Pt atvaizdą (papildomas paveikslas). S1) parodo gerai išsklaidytą SAM-Pt aprėptį (turi būti parodyta naudojant perdavimo elektronų mikroskopijos (TEM) vaizdus) TCO paviršiuje. Kai pH buvo padidintas iki 5, 6, nuskaitymo elektronų mikroskopo vaizduose (P3 pav.) Pt NP formavimasis TCO buvo vos pastebimas, o tai atitinka 2 paveiksle parodytą absorbcijos spektrą, nes esant didelei koncentracijai, redukcija buvo lėta. NaOH.

Image

SAM-Pt skaitiklių elektrodų, pagamintų įvairiomis pH sąlygomis, elektroninių mikroskopų vaizdai, nuskaitomi: ( a ) 1, 5 ( b ) 2, 0 ( c ) 3, 7 ir d ) 5.6. Įdėklai rodo atitinkamus vaizdus dideliuose plotuose, o mastelio juostos atspindi 500 nm.

Visas dydis

Poliolio redukcijos mechanizmas įvairiomis pH sąlygomis

Kodėl esant NaOH, poliolio reakcija sumažėja lėčiau? Norėdami atsakyti į šį klausimą, atlikome kontroliuojamus eksperimentus, siekdami pasiekti optimalias sąlygas (110 ° C temperatūra ir laikas 4 val.) Esant pH 3, 7; rezultatai pateikti papildomame S2 paveiksle. Būdingas LMCT bruožas, esant 268 nm, sumažėjo per pirmąsias 10 minučių, kai temperatūra pakilo iki 53 ° C, tačiau jis šiek tiek padidėjo, kai reakcijos temperatūra pasiekė 70 ° C; vėliau LMCT signalo intensyvumas sparčiai mažėjo, kai mažėjo. 70 ° C sąlygomis nepridedant NaOH (pH 1, 5) mes pastebėjome, kad originalus LMCT požymis žymiai sumažėjo ir buvo lydimas naujos juostos, esant 249 nm (papildomas paveikslas S3). Šis signalas yra akivaizdus įrodymas, kad Pt II tarpinis produktas, greičiausiai solvatotos PtCl 4 2− rūšys, susidaro redukuojant poliolį, kai pH yra 1, 5, panašus į daugelį pavyzdžių, kuriuos pranešė Xia et al. 26, 27, 30, priešingai, Pt II tarpinio produkto, kurio absorbcijos juosta at 250 nm, susidarymas nebuvo akivaizdus, ​​kai pH 3, 7; vietoj to mes stebėjome absorbcijos atsigavimą esant 268 nm bangos ilgiui su plačia spektrine savybe. Šis pastebėjimas gali parodyti, kad reakcija vėl pasireiškė Pt IV rūšims, kaip pasiūlė Herricks et al. 30 Taigi mes hipotezuojame, kad pradiniame poliolio redukcijos etape, dalyvaujant NaOH, gali susidaryti hidrokso-chloro Pt IV kompleksai, Pt (OH) n Cl 6- n2−. Šis mechanizmas atitinka tą, kurį pasiūlė Renas ir Xingas, 28, kurie nurodė, kad Pt II pirmtako hidrolizės metu esant aukštam pH susidaro hidrokso-chloro Pt II kompleksai, Pt (OH) n Cl 4- n2−. Mūsų atveju hidrolizė, formuojanti Pt (OH) n Cl 6- n2−, konkuruoja su Pt IV redukcija į Pt 0 per Pt II tarpinę PtCl 4 2− ; tolesnis Pt (OH) n Cl 6- n2− kompleksų sumažinimas taptų greitį lemiančiu žingsniu, kuris reikšmingai sulėtintų redukciją esant aukštesniam pH.

Tikrojo SAM-Pt formavimas TCO

Norėdami patvirtinti, kad TCO paviršiuje susiformavo tikrasis savaime surinktas Pt NPs, mes ištyrėme SAM-Pt / FTO substrato paviršiaus morfologiją, naudodami aukštos skiriamosios gebos TEM (HRTEM). 4a – d paveikslai rodo HRTEM vaizdus keturiais padidinimais, naudojant SAM-Pt / FTO CE, pagamintus pagal aukščiau aprašytą metodą (pH 3, 7). Remiantis šiais HRTEM vaizdais, vienareikšmiškai buvo pastebėtas plonas SAM-Pt plėvelės sluoksnis su vienodo dydžio pasiskirstymu ant FTO paviršiaus. šis pastebėjimas sutvirtina mūsų koncepciją projektuoti SAM-Pt medžiagą kaip DSSP CE. Remdamiesi SAM-Pt plėvelės morfologija, kaip aiškiai parodyta 4c paveiksle, mes įvertinome Pt ​​NP pasiskirstymą pagal dydį, remdamiesi statistine atskirų NP analize, kuri davė vidutinį 3 nm dalelių dydį su siauru pasiskirstymu. (Papildomas S4 paveikslas). Homogeniniai Pt NPs vienodai padengė pagrindo paviršių, ir jie buvo nejautrūs substrato topografijai net ant šiurkščių FTO ir indžio alavo oksido (ITO) paviršių. Mes tikimės, kad tarp vienodų Pt NP ir paviršiaus, modifikuoto silanu SAM, buvo sukurta puiki jungimosi sąveika, kaip aiškiai parodyta 1 schemoje. Be to, Pt NP dydis buvo kontroliuojamas labai mažu mastu, ∼ 3 nm, kuris yra naudingas maksimaliai padidinant paviršiaus plotą, kad būtų pasiektos puikios katalizinės savybės su mažesne Pt apkrova, kaip to reikia komercializacijai.

Image

SAM-Pt priešpriešinių elektrodų, pagamintų esant 3, 7 pH, TEM atvaizdai rodo vienodą sferinę Pt nanokristalų, surinktų ant grubaus TCO paviršiaus, morfologiją. Skalės juostos žymi ( a ) 50 nm, b ) 20 nm, c ) 10 nm ir ( d ) 2 nm. D intarpas parodo smulkiąją Pt gardelės struktūrą, kai tarp {111} briaunų yra 0, 23 nm atstumas.

Visas dydis

4d paveikslo intarpas rodo Pt NP smulkiosios gardelės struktūrą, nurodant, kad atstumas tarp gretimų gardelių briaunų yra 0, 23 nm, o tai atitinka tarpo tarp plokštumų tarpus tarp Pt grotelių. Hou ir kt. 16 pranešė, kad Pt (111) vaidina svarbų vaidmenį veikiant IRR katalizinę funkciją per tri-jodidų rūšių jungimosi sugebėjimą Pt (111) paviršiuje. Todėl Pt nanokristalai, turintys didesnę dalį atidengtų briaunų {111}, pasižymi padidintu IRR aktyvumu ir stabilumu. Švarūs Pt NPs paviršiai, paruošti naudojant mūsų SAM metodą, turi pranašumą, kad būtų išvengta ribojamųjų medžiagų tarp Pt atomų ir trijodidų anijonų, kad būtų veiksmingai padidinta IRR veikla, kai SAM-Pt medžiaga naudojama kaip CE skirtas DSSC.

SAM-Pt CE fotovoltinis veikimas ir elektrokatalitinis aktyvumas DSSC

Norėdami ištirti DSSC įrenginio veikimą, paruošėme dviejų tipų SAM-Pt CE: vieną ant termiškai stabilių FTO (8 Ω / □), kitą - ant termiškai nestabilių ITO (2, 8 Ω / □) substratų. Palyginimui, mes pagaminome Pt ​​CE, naudodamiesi TD, kad įneštume Pt ​​ant FTO, ir CED, kad įneštume Pt ​​į ITO tomis pačiomis eksperimentinėmis sąlygomis. 19 5a ir b paveiksluose parodytos srovės ir įtampos charakteristikos ir atitinkami kritimo fotono į srovę konvertavimo efektyvumo spektrai, atitinkamai, su įtaisais, sudarytais iš stabilių dažų Z907 (parodyta 5b paveiksle). 31 5c paveiksle pavaizduotos I - / I 3 - redokso porų ciklinės voltamogramos atitinkamiems CE; 5d paveiksle parodytas atitinkamų įtaisų elektrocheminės varžos spektras (EIS) su teoriniais prietaisais pagal atitinkamą ekvivalentinį grandinės modelį. 32 Atitinkami fotoelektros ir EIS parametrai yra apibendrinti 1 lentelėje.

Image

Fotovoltinės ir elektrocheminės įtaisų, pagamintų naudojant įvairius platinuotus priešinius elektrodus, charakteristikos, kaip nurodyta: a ) srovės ir įtampos kreivėse; b ) atsitiktinio fotono į srovę konvertavimo efektyvumo (IPCE) spektrai; c ) ciklinės voltammogramos (CV), parodančios dvi Pt CE redokso reakcijų poras jodido-tri-jodido elektrolite; ir d ) atitinkamų įtaisų EIS. B intarpas parodo Z907 dažų molekulinę struktūrą.

Visas dydis

Pilno dydžio lentelė

Apskritai šių prietaisų galios konvertavimo efektyvumas yra panašus, tačiau ITO pagrįsti įrenginiai veikia šiek tiek geriau nei FTO pagrįsti įrenginiai, nes pastarųjų mažesnis serijos atsparumas ( R s ; 1 lentelė) nei pastarųjų. Tačiau ITO pagrindas yra termiškai nestabilus; todėl tradicinis TD gydymas tampa nepraktiškas. Geriausią prietaisą sudarė CED-Pt / ITO substratas dėl jo aukščiausių ciklinių voltamogramų charakteristikų (5c paveikslas) ir mažos įkrovos perdavimo varžos CE / elektrolito sąsajoje ( R ct ; 1 lentelė). Norint sukurti CED metodą, reikalingas didelis Pt kiekis: Pt apkrovos kiekis buvo nustatytas induktyviai sujungtu plazmos masės spektrometru, kuriam nustatyti Pt apkrovos santykiai buvo 1, 0, 1, 2 ir 25, 8. atitinkamai SAM-Pt, TD-Pt ir CED-Pt. Pt apkrova TCO substrate yra svarbus veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti ateityje parduodant DSSC. Puikios prietaiso savybės su minimaliu Pt įkrovimu rodo, kad monolitinių sluoksnių nusodintos SAM-Pt medžiagos turi nemažą pažadą kaip potencialius CE komercializavimui.

Išvada

Šiame darbe mes sukūrėme nanofabrikavimo strategiją, skirtą paruošti Pt NP monosluoksnius, savarankiškai surinktus ant grubaus TCO paviršiaus, dviem etapais: pirma, paruošti gerai disperguotą Pt NP tirpalą iš poliolio redukcijos 110 ° C temperatūroje, esant tokiai pH. gerai kontroliuojamas pridedant NaOH; antra, panardinant SAM funkcionalizuotą TCO substratą, iš anksto paruoštą naudojant „piranos“ ir MPTMS paviršiaus apdorojimus, savo ruožtu į Pt NP tirpalą, esant artimai 295 K temperatūrai, kad būtų baigtas gaminti SAM-Pt CE DSSC. PH vaidina pagrindinį vaidmenį redukcijos kinetikoje kontroliuojant Pt NP, susidariusio poliolio tirpale, dydį. Geriausia sąlyga buvo pH 3, 7, kai visiškai išvengta Pt NPs agregacijos TCO paviršiuje, tai patvirtina skenuojantis elektroninis mikroskopas ir energiją išsklaidantis rentgeno spektrometro žemėlapis. Tikrai savarankiškai surinktas Pt nanokristalinis sluoksnis, kurio vidutinis dalelių dydis yra 3 nm, eksponuotas ant paviršiaus (111), tolygiai nusodinant ant TCO paviršiaus, buvo vienareikšmiškai stebimas naudojant HRTEM vaizdus. Vienoda SAM-Pt plėvelė su siauru dydžio pasiskirstymu gali būti gaminama TCO be stabilizatoriaus; taigi, tradicinio terminio apdorojimo aukštoje temperatūroje nebereikia. Tolygus SAM-Pt plėvelės pobūdis turi privalumų, kad būtų sumažintas Pt kiekis ir optimizuota katalizinė funkcija TCO paviršiuje. Pagal šį SAM-Pt metodą paruošti DSSC įtaisai pasiekė pastebimą fotoelektros veiksmingumą ( η = 9, 2%), palyginamus su įrenginiais, pagamintais naudojant įprastą TD metodą ( η = 9, 1%) arba CED metodą ( η = 9, 3%) to paties eksperimento metu. sąlygos. Pabrėžiame, kad SAM-Pt plėvelės pasižymi švariu paviršiumi (nereikia termiškai apdoroti), vienoda morfologija, siauru pasiskirstymu pagal dydį, mažu Pt įkrovimu ir dideliu kataliziniu aktyvumu; todėl šis metodas yra tinkamas ne tik DSSC, bet ir perspektyvus daugeliui kitų su energija susijusių programų, kurioms reikalingas Pt kaip efektyvus katalizatorius deguonies redukcijos reakcijai paspartinti. 33, 34, 35

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildoma informacija pridedama prie dokumento „NPG Asia Materials“ svetainėje (//www.nature.com/am)