Sintesi e prestazione elettrochimica di α

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17009 (2022) Citare questo articolo

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Lo scopo di questo studio è descrivere le prestazioni della nanoparticella di ossido di alluminio e della nanoparticella di spinello di alluminato metallico come fotoanodi nel fotovoltaico a punti quantici. Utilizzando un metodo di autocombustione sol-gel, le NP Al2O3, CoAl2O4, CuAl2O4, NiAl2O4 e ZnAl2O4 sono state sintetizzate con successo. La formazione di nanocompositi Al2O3 NP e MAl2O4 (M=Co, Cu, Ni, Zn) è stata confermata utilizzando diverse caratteristiche come spettri XRD, UV-Vis, FTIR, FE-SEM e EDX. L'XRD mostra che CoAl2O4 ha una dimensione dei cristalliti più piccola (12,37 nm) rispetto a CuAl2O4, NiAl2O4 e ZnAl2O4. La formazione di una struttura a spinello monofase dei campioni calcinati a 1100 °C è stata confermata mediante FTIR. I nostri studi hanno dimostrato che le NP Al2O3 pure hanno un gap energetico inferiore (1,37 eV) rispetto a MAl2O4 sintetizzato sotto irradiazione UV-Vis. Grazie alla buona separazione tra gli elettroni generati dalla luce e le lacune formate, la cella contenente il nanocomposito ZnAl2O4 con CdS QD ha la massima efficienza dell'8,22% e la densità di corrente di 22,86 mA cm−2, mentre la cella basata su NiAl2O4 come fotoelettrodo, sei cicli di QD CdS/ZnS e P-rGO come controelettrodo hanno raggiunto la migliore efficienza di conversione di potenza (PCE) del 15,14% e la densità di corrente di 28,22 mA cm−2. La spettroscopia di impedenza elettrochimica mostra che i nanocompositi ZnAl2O4 e NiAl2O4 hanno i tempi di vita più elevati degli elettroni fotogenerati (τn) di 11*10−2 e 96*10−3 ms, rispettivamente, e le velocità di diffusione più basse (Keff) di 9,09 e 10,42 ms −1, rispettivamente.

L'alfa-allumina e lo spinello di alluminato metallico con la formula M-Al2O4, dove M introduce uno ione metallico bivalente, hanno attirato grande attenzione per diverse applicazioni grazie alla loro stabilità termica, elevata resistenza chimica e resistenza meccanica, elevate rese quantiche con qualità idrofobe, elevata superficie e superficie a bassa acidità1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Sono stati ampiamente utilizzati come pigmenti, sensori, fotocatalizzatori, elettrodi magnetici, refrattari, ottici e materiali, che utilizzano additivi lubrificanti11,12,13,14,15. È noto che il metodo di sintesi può influenzare la cristallinità, la purezza, l'area superficiale, la morfologia e la dimensione delle particelle dei materiali nanosintetizzati MAl2O4, che ha un impatto rispettabile sulle loro proprietà catalitiche e ottiche16,17,18. MAl2O4 può essere utilizzato con una varietà di tecniche tra cui il metodo solvotermico, la sintesi di coprecipitazione, il metodo sol-gel, le reazioni allo stato solido, il metodo idrotermale, la sintesi assistita da microonde, la sintesi di precursori polimerici e il metodo idrotermale16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Entrambi i metodi richiedono sistemazioni specializzate e hanno un costo rispettabile, mentre ulteriori svantaggi includono la scarsa omogeneità e la bassa superficie del prodotto5,6,7,8,9,10,16,17,18,31,32,33. La generazione di nanoparticelle omogenee di elevata purezza è stata dimostrata mediante la tecnica di autocombustione sol-gel con riscaldamento rapido e tempi di reazione brevi11,12,34. Il metodo di sintesi dell’autocombustione sol-gel combina processi chimici sol-gel e di combustione, rappresentando una tecnica rapida e realizzabile con bassi costi energetici ed è perfetto per la sintesi di materiali a base di ossidi metallici. Diversi composti organici possono essere utilizzati come combustibile, ma questi sono stati fissati in modo imitativo all'acido citrico, all'urea, alla glicina e all'acido tartarico7,12. Il grafene è un materiale intrigante con un nuovo scheletro bidimensionale composto da un singolo strato monomolecolare di atomi di carbonio ibridati sp21,4. Il grafene ha proprietà eccellenti in molti settori della tecnologia e della scienza grazie alle sue proprietà uniche5,6, comprese proprietà elettroniche6,7,8, meccaniche e termodinamiche superiori9,10. Il grafene ha un ampio campo di applicazioni come transistor a effetto di campo (FET), pellicole conduttive trasparenti, dispositivi di accumulo di energia, purificazione dell'acqua e sensori grazie alle sue eleganti proprietà fisiche e chimiche16,17,18,31,32. P-rGO è un materiale di carbonio che mostra caratteristiche ottiche, chimiche ed elettriche simili a quelle del grafene perché si basa sulla sua struttura35. Nel 1958, Hummers e Offman hanno messo a punto un metodo per la sintesi di P-rGO36,37,38,39,40,41. Questo metodo utilizza H2SO4 per sbucciare la grafite con NaNO3 e KMnO4 come agenti ossidanti per la grafite. Il metodo di Hummer presenta alcune caratteristiche rispetto a quello di Brodie e Staudenmaier. Innanzitutto, KMnO4 è un forte ossidante che aiuta ad accelerare la reazione in modo che la sintesi possa essere completata in poche ore. In secondo luogo, il clorato non è disponibile, eliminando così la probabilità di un’eruzione di ClO2. In terzo luogo, lo scambio di fumigazione con NaNO3 elimina la foschia acida generata da HNO315. Per quanto ne sappiamo, non sono stati condotti studi che confrontino gli effetti degli alluminati di spinello NiAl2O4, CuAl2O4 e ZnAl2O4, prodotti con lo stesso metodo sintetico, sulle prestazioni dei QDSSC. Le celle solari sensibilizzate dai punti quantici (QDSSC) hanno attirato una grande attenzione negli ultimi anni, grazie alla loro facile procedura di fabbricazione, al basso costo, al bandgap regolabile e all'elevata efficienza di conversione di potenza (PCE) teoricamente elevata fino al 44%42. La tecnicità fotoelettrochimica dei QDSSC ha lo stesso comportamento delle celle solari sensibilizzate con colorante (DSSC), in cui la cella solare è sensibilizzata dai QD invece che dalle molecole di colorante come strato assorbente la luce nei QDSSC43. Un QDSSC è tipicamente composto da una pellicola fotoanodica sensibilizzata a punti quantici, un elettrolita contenente una coppia redox (cioè S2/Sx2) e un controelettrodo (CE) (cioè Pt e Cu2S)42,43,44. Nonostante queste qualità, tuttavia, la prestazione delle celle fotovoltaiche della maggior parte dei QDSSC è molto inferiore a quella acquisita dai DSSC. Ad oggi, gran parte del lavoro di ricerca si è concentrato sul miglioramento di tutti gli elementi dei QDSSC. Poiché uno dei motivi essenziali della bassa efficienza sono le interfacce dei controelettrodi, particolari sforzi di ricerca si sono concentrati sull'espansione di CE congrui per ottenere simultaneamente celle stabili e ad alta efficienza.