Propriedades eletrocatalíticas reforçadas com cinzas volantes de contraeletrodos PEDOT:PSS para a redução de triiodeto em corante

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6012 (2023) Citar este artigo

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Resíduos sólidos de cinzas volantes de uma usina de energia foram aplicados em uma aplicação de célula solar pela primeira vez. Uma lâmina raspadora foi usada para revestir o vidro FTO com um filme composto de mistura de cinzas volantes e PEDOT:PSS (FP). As análises de XRD, FTIR, SEM, EDX e BET foram usadas para elucidar a estrutura cristalina, morfologia e grupos funcionais de cinzas volantes na pesquisa atual. Uma célula solar de eficiência significativamente alta foi fabricada utilizando cinzas volantes. As análises de CV, Tafel e EIS indicaram uma diminuição na resistência à transferência de carga e um aumento da atividade catalítica nos contraeletrodos. O desempenho dos DSSCs feitos de contraeletrodos FP variou dependendo da porcentagem de partículas de cinzas volantes presentes. As cinzas volantes misturadas com PEDOT:PSS na proporção de concentração de 2:5 g/mL apresentaram uma alta eficiência de 4,23%, comparável à Pt DSSC's (4,84%). Além disso, o FP-2:5 apresentou um eletrodo mais altamente eficiente do que os contraeletrodos feitos de PEDOT:PSS misturado com MoO (3,08%) e CoO (3,65%). Esta adequação deste material CE de baixo custo para uso em DSSCs foi estabelecida.

Células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs), uma forma alternativa de células solares de silício planejador, têm sido extensivamente exploradas devido ao seu baixo custo, facilidade de fabricação, simplicidade e versatilidade de design. Em DSSCs, o eletrodo de trabalho (WE) é tipicamente formado por nanopartículas porosas de dióxido de titânio, com o corante N719 como sensibilizador, um iodeto (\({\text{I}}^{ - } \))/triiodeto (\({ \text{I}}_{3}^{ - }\)) eletrólito redox, e platina (Pt) como contraeletrodo (CE)1,2,3,4.

Atualmente, o objetivo de desenvolver DSSCs é alcançar alta eficiência e reduzir custos de produção, que são novos desafios para os pesquisadores. Negro de carbono5, nanotubos de carbono de paredes múltiplas6, polímeros condutores7, carbono ativo8 e materiais de óxido metálico9,10, bem como materiais de sulfeto11, têm sido usados ​​para substituir a Pt catalítica cara por causa de sua alta condutividade elétrica, resistência química, propriedades eletrocatalíticas e baixo custo. Nossa pesquisa se concentra no desenvolvimento de novos materiais de CE isentos de Pt que sejam de baixo custo e ecologicamente corretos, bem como a consideração da reciclagem de resíduos, incluindo resíduos sólidos de usinas de energia. Na província de Lampang, no norte da Tailândia, a usina Mae Moh usa grandes quantidades de carvão como fonte de energia. Isso resulta em grandes quantidades de resíduos sólidos na forma de cinzas volantes, cinzas residuais e gesso. No entanto, as quantidades de cinzas residuais e gesso são normalmente muito menores do que as cinzas volantes12. Desenvolver métodos de remoção ou aproveitamento efetivo das cinzas volantes tem sido um desafio para os pesquisadores. Atualmente, as cinzas volantes são usadas principalmente como matéria-prima para cimento, produção de concreto e aumento do solo devido à sua excelente adesão, resistência à corrosão e resistência à compressão13,14. Alternativamente, não há nenhuma pesquisa que tenha aplicado cinzas volantes de uma usina para uso em células solares. Isso pode ser devido à sua baixa condutividade. No entanto, sua alta resistência à corrosão eletrolítica e facilidade na formação de ligações o tornam um material atraente. Além disso, foi relatado que o uso de cinzas volantes como material compósito pode aumentar a estabilidade e as propriedades eletrocatalíticas. Por exemplo, de acordo com Thirumalai et al.15, o óxido de zinco carregado com cinzas volantes exibe maior atividade eletrocatalítica e estabilidade eletroquímica do que o catalisador de ZnO nu devido à sua maior área de superfície efetiva. Além disso, cinzas volantes e nanocompósitos de TiO2 (FA-TiO2) desenvolvidos por Altalhi et al.16 demonstraram desempenho catalítico eletroquímico superior para a reação de evolução de hidrogênio (HER) em uma solução alcalina. Como resultado, o catalisador FA-TiO2 conforme preparado possui sítios catalíticos mais ativos que podem produzir H2 e ativação catódica. Portanto, as propriedades eletroquímicas e de estabilidade mais altas dos catalisadores à base de cinzas volantes são críticas em suas aplicações de DSSC. Uma abordagem para melhorar as propriedades das cinzas volantes é compô-las com polímeros condutores17. Muitos estudos anteriores relataram o uso de polímeros condutores para CEs em DSSCs, como poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT)18, polipirrol (PPy)19, poli(3,4-etilenodioxitiofeno):sulfonato de poliestireno (PEDOT:PSS )20, fluoreto de polivinilideno (PVDF)21 ou poli(vinilpirrolidona)/polianilina (PVP/PANI)22. Esses polímeros apresentam boas propriedades de contra eletrodo para DSSCs. Para melhorar a atividade eletrocatalítica dos CEs, nanopartículas e micropartículas de óxidos metálicos ou não metálicos foram adicionados aos filmes de polímeros condutores em outras pesquisas iniciais23,24. Maiaugree et al.25 desenvolveram um contraeletrodo de TiO2 misturado com PEDOT:PSS em 2012. Foi aplicado com lâmina raspadora, apresentando uma alta eficiência de 8,49%, comparável a um Pt CE (7,50%), pois as nanopartículas de TiO2 podem aumentar a superfície do polímero para melhorar as reações redox do filme. Um CE com alta eficiência de 6,50% (Pt CE foi de 6,48%) foi criado por Xu et al.26 usando um filme composto nanoporoso de TiO2/SnO2 combinado com PEDOT:PSS. Devido aos seus sítios mais ativos para redução de \({\text{I}}_{3}^{ - }\), o filme composto TiO2/SnO2/PEDOT:PSS obtido exibe melhor atividade catalítica para redução de triiodeto do que o PEDOT puro :PSS filme. Isso faz com que o fator de preenchimento do material e a eficiência das células sejam significativamente aumentados. rGO/ZnSe/CoSe2 poroso combinado com um contraeletrodo PEDOT:PSS criado por Tapa et al.27 teve uma alta eficiência de célula solar de 8,60% e superou CEs platinizados (7,14%) em termos de atividade catalítica para o {I}}^{ - } /{\text{I}}_{3}^{ - }\) reação redox. Ahmed et al.28 criaram um compósito MoS2/NC com PEDOT:PSS. O PCE do dispositivo com um CE composto MoS2/NC-PEDOT:PSS com maior área de superfície foi 7,67% maior, resultando em maior desempenho eletrocatalítico do que os CEs PEDOT:PSS nus (4,11%). Recentemente, Nossa pesquisa empregou carvão ativado de resíduo agrícola combinado com PEDOT:PSS com eficiência DSSC de 5,85%, maiores atividades eletrocatalíticas para \({\text{I}}_{3}^{ - }\) redução, condutividade e maior eficiências do que Pt CEs (5,43%)29. Assim, a mistura de cinzas volantes em PEDOT:PSS pode aumentar o número de sítios ativos, as propriedades catalíticas e a eficiência dos DSSCs.