Síntese e desempenho eletroquímico de α

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 17009 (2022) Citar este artigo

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O objetivo deste estudo é descrever o desempenho da nanopartícula de óxido de alumínio e da nanopartícula de espinélio de aluminato metálico como foto-ânodos em sistemas fotovoltaicos de pontos quânticos. Usando um método de autocombustão sol-gel, NPs de Al2O3, CoAl2O4, CuAl2O4, NiAl2O4 e ZnAl2O4 foram sintetizados com sucesso. A formação de NPs de Al2O3 e nanocompósito MAl2O4 (M = Co, Cu, Ni, Zn) foi confirmada usando diversas características como espectros de XRD, UV-Vis, FTIR, FE-SEM e EDX. O DRX mostra que o CoAl2O4 possui um tamanho de cristalito menor (12,37 nm) que CuAl2O4, NiAl2O4 e ZnAl2O4. A formação de uma estrutura espinélio monofásica das amostras calcinadas a 1100 °C foi confirmada por FTIR. Nossos estudos mostraram que os NPs de Al2O3 puros têm um gap de energia menor (1,37 eV) do que o MAl2O4 sintetizado sob irradiação UV-Vis. Devido à separação do poço entre os elétrons gerados pela luz e os buracos formados, a célula contendo nanocompósito de ZnAl2O4 com QDs de CdS tem a maior eficiência de 8,22% e a densidade de corrente de 22,86 mA cm-2, enquanto a célula baseada em NiAl2O4 como um fotoeletrodo, seis ciclos de CdS / ZnS QDs e P-rGO como contra-eletrodo alcançaram a melhor eficiência de conversão de energia (PCE) de 15,14% e a densidade de corrente de 28,22 mA cm-2. A espectroscopia de impedância eletroquímica mostra que os nanocompósitos de ZnAl2O4 e NiAl2O4 apresentam os maiores tempos de vida dos elétrons fotogerados (τn) de 11*10−2 e 96*10−3 ms, respectivamente, e as menores taxas de difusão (Keff) de 9,09 e 10,42 ms −1, respectivamente.

Alfa-alumina e espinélio de aluminato metálico com a fórmula M-Al2O4, onde M introduz um íon metálico divalente, têm atraído grande atenção para diversas aplicações devido às suas estabilidades térmicas, alta resistência química e resistência mecânica, altos rendimentos quânticos com qualidades hidrofóbicas, alta área de superfície e superfície baixa ácida1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Eles têm sido amplamente utilizados como pigmentos, sensores, fotocatalisadores, eletrodos magnéticos, refratários, ópticos e materiais, envolvendo aditivos lubrificantes11,12,13,14,15. Sabe-se que o método de síntese pode influenciar a cristalinidade, pureza, área superficial, morfologia e tamanho de partícula de materiais nanossintetizados MAl2O4, o que tem um impacto respeitável em suas propriedades catalíticas e ópticas . MAl2O4 pode ser usado com uma variedade de técnicas, incluindo método solvotérmico, síntese de co-precipitação, método sol-gel, reações no estado sólido, método hidrotérmico, assistido por micro-ondas, síntese de precursores poliméricos e método hidrotérmico16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Qualquer um dos métodos requer acomodações especializadas e tem um custo respeitável, enquanto outras desvantagens incluem a falta de homogeneidade e a baixa área superficial do produto5,6,7,8,9,10,16,17,18,31,32,33. A geração de nanopartículas homogêneas de alta pureza foi demonstrada pela técnica de autocombustão sol-gel com rápido aquecimento e curto tempo de reação . O método de síntese por autocombustão sol-gel combina processos químicos sol-gel e combustão, representando uma técnica rápida e alcançável com baixos custos de energia, e é perfeito para a síntese de materiais à base de óxidos metálicos. Vários compostos orgânicos podem ser utilizados como combustível, mas estes foram imitativamente fixados em ácido cítrico, uréia, glicina e ácido tartárico7,12. O grafeno é um material intrigante com um novo esqueleto bidimensional composto por uma única camada monomolecular de átomos de carbono hibridizados com sp2 . O grafeno possui excelentes propriedades em muitas áreas da tecnologia e da ciência devido às suas propriedades únicas5,6, incluindo propriedades eletrônicas6,7,8, mecânicas e termodinâmicas superiores9,10. O grafeno tem um amplo domínio de aplicações como transistores de efeito de campo (FET), filmes condutores transparentes, dispositivos de armazenamento de energia, purificação de água e sensores devido às suas elegantes propriedades físicas e químicas . O P-rGO é um material de carbono que apresenta características ópticas, químicas e elétricas semelhantes às do grafeno por ser baseado em sua estrutura35. Em 1958, Hummers e Offman desenvolveram um método para a síntese de P-rGO36,37,38,39,40,41. Este método usa H2SO4 para descascar grafite com NaNO3 e KMnO4 como agentes oxidantes da grafite. O método de Hummer tem algumas características em comparação com o de Brodie e Staudenmaier. Em primeiro lugar, o KMnO4 é um oxidante forte que auxilia na aceleração da reação para que a síntese possa ser concluída em poucas horas. Em segundo lugar, o clorato não está disponível, eliminando a probabilidade de uma erupção de ClO2. Em terceiro lugar, a troca da fumigação com NaNO3 elimina a névoa ácida gerada pelo HNO315. Até onde sabemos, não houve estudos comparando os efeitos dos aluminatos de espinélio NiAl2O4, CuAl2O4 e ZnAl2O4, que foram produzidos pelo mesmo método sintético, no desempenho de QDSSCs. As células solares sensibilizadas por pontos quânticos (QDSSCs) atraíram grande atenção nos últimos anos, devido ao seu procedimento de fácil fabricação, baixo custo, bandgap ajustável e alta eficiência de conversão de energia (PCE) teoricamente mencionada de até 44% . A tecnicidade fotoeletroquímica dos QDSSCs tem o mesmo comportamento das células solares sensibilizadas por corante (DSSCs), nas quais a célula solar é sensibilizada pelos QDs em vez das moléculas de corante como uma camada absorvedora de luz nos QDSSCs . Um QDSSC é normalmente composto de um filme fotoanodo sensibilizado por pontos quânticos, um eletrólito contendo um par redox (isto é, S2 / Sx2) e um contra-eletrodo (CE) (isto é, Pt e Cu2S) . Apesar destas qualidades, no entanto, o desempenho das células fotovoltaicas da maioria dos QDSSCs é muito inferior ao adquirido dos DSSCs. Até o momento, grande parte do trabalho de pesquisa concentrou-se no aprimoramento de todos os elementos dos QDSSCs. Como uma das razões essenciais para a baixa eficiência são as interfaces do contra-eletrodo, esforços específicos de pesquisa se concentraram na expansão de CEs congruentes para alcançar simultaneamente alta eficiência e células estáveis.