Proprietà elettrocatalitiche potenziate dalle ceneri volanti dei controelettrodi PEDOT:PSS per la riduzione del triioduro nel colorante

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6012 (2023) Citare questo articolo

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I rifiuti solidi delle ceneri volanti provenienti da una centrale elettrica sono stati applicati per la prima volta in un'applicazione di celle solari. Una racla è stata utilizzata per rivestire il vetro FTO con una pellicola composita di ceneri volanti miste e PEDOT:PSS (FP). Le analisi XRD, FTIR, SEM, EDX e BET sono state utilizzate per chiarire la struttura cristallina, la morfologia e i gruppi funzionali delle ceneri volanti nella ricerca attuale. Una cella solare ad alta efficienza è stata fabbricata utilizzando ceneri volanti. Le analisi CV, Tafel ed EIS hanno indicato una diminuzione della resistenza al trasferimento di carica e un aumento dell'attività catalitica nei controelettrodi. Le prestazioni dei DSSC realizzati con controelettrodi FP variavano a seconda della percentuale di particelle di ceneri volanti presenti. Le ceneri volanti miscelate con PEDOT:PSS in un rapporto di concentrazione di 2:5 g/mL hanno mostrato un'efficienza elevata del 4,23%, paragonabile a quella di Pt DSSC (4,84%). Inoltre, FP-2:5 presentava un elettrodo più efficiente rispetto ai controelettrodi realizzati con PEDOT:PSS miscelato con MoO (3,08%) e CoO (3,65%). È stata stabilita l'idoneità di questo materiale CE a basso costo per l'uso nelle DSSC.

Le celle solari sensibilizzate con colorante (DSSC), una forma alternativa di celle solari in silicio pianificatore, sono state ampiamente esplorate per il loro basso costo, facilità di fabbricazione, semplicità e versatilità di progettazione. Nei DSSC, l'elettrodo di lavoro (WE) è tipicamente formato da nanoparticelle porose di biossido di titanio, con il colorante N719 come sensibilizzatore, uno ioduro (\({\text{I}}^{ - } \))/triioduro (\({ \text{I}}_{3}^{ - }\)) elettrolita redox e platino (Pt) come controelettrodo (CE)1,2,3,4.

Attualmente, l’obiettivo dello sviluppo delle DSSC è raggiungere un’elevata efficienza e ridurre i costi di produzione, che rappresentano nuove sfide per i ricercatori. Nerofumo5, nanotubi di carbonio a parete multipla6, polimeri conduttivi7, carbonio attivo8 e materiali a base di ossidi metallici9,10 nonché materiali solforati11 sono stati utilizzati per sostituire il costoso Pt catalitico a causa della loro elevata conduttività elettrica, resistenza chimica, proprietà elettrocatalitiche e basso costo. La nostra ricerca si concentra sullo sviluppo di nuovi materiali CE privi di Pt che siano a basso costo e rispettosi dell’ambiente, nonché sulla considerazione del riciclaggio dei rifiuti includendo i rifiuti solidi delle centrali elettriche. Nella provincia di Lampang, nel nord della Thailandia, la centrale elettrica di Mae Moh utilizza grandi quantità di carbone come fonte di energia. Ciò si traduce in grandi quantità di rifiuti solidi sotto forma di ceneri volanti, ceneri pesanti e gesso. Tuttavia, le quantità di ceneri pesanti e gesso sono normalmente molto inferiori a quelle delle ceneri volanti12. Lo sviluppo di metodi di rimozione o di sfruttamento efficace delle ceneri volanti è stata una sfida per i ricercatori. Attualmente, le ceneri volanti vengono utilizzate principalmente come materia prima per il cemento, la produzione di calcestruzzo e l'incremento del suolo grazie alla sua eccellente adesione, resistenza alla corrosione e resistenza alla compressione13,14. In alternativa, non esiste alcuna ricerca che abbia applicato le ceneri volanti di una centrale elettrica per l’uso nelle celle solari. Ciò potrebbe essere dovuto alla sua scarsa conduttività. Tuttavia, la sua elevata resistenza alla corrosione degli elettroliti e la facilità nella formazione di legami lo rendono un materiale attraente. Inoltre, è stato riportato che l’utilizzo delle ceneri volanti come materiale composito può migliorare la stabilità e le proprietà elettrocatalitiche. Ad esempio, secondo Thirumalai et al.15, l'ossido di zinco caricato con ceneri volanti mostra un'attività elettrocatalitica e una stabilità elettrochimica più elevate rispetto al catalizzatore ZnO nudo a causa della sua maggiore area superficiale effettiva. Inoltre, i nanocompositi di ceneri volanti e TiO2 (FA-TiO2) sviluppati da Altalhi et al.16 hanno dimostrato prestazioni catalitiche elettrochimiche superiori per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) in una soluzione alcalina. Di conseguenza, il catalizzatore FA-TiO2 preparato ha siti catalitici più attivi che possono produrre H2 e attivazione catodica. Pertanto, le proprietà elettrochimiche e di stabilità più elevate dei catalizzatori a base di ceneri volanti sono fondamentali nelle loro applicazioni DSSC. Un approccio per migliorare le proprietà delle ceneri volanti è quello di comporle con polimeri conduttivi17. Molti studi precedenti hanno riportato l'uso di polimeri conduttivi per CE in DSSC come poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT)18, polipirrolo (PPy)19, poli(3,4-etilendiossitiofene):polistirene solfonato (PEDOT:PSS )20, polivinilidene fluoruro (PVDF)21 o poli(vinilpirrolidone)/polianilina (PVP/PANI)22. Questi polimeri presentano buone proprietà di controelettrodo per le DSSC. Per migliorare l'attività elettrocatalitica dei CE, nanoparticelle e microparticelle di ossidi metallici o non metallici sono state aggiunte ai film polimerici conduttivi in ​​altri primi studi di ricerca23,24. Maiaugree et al.25 hanno sviluppato un controelettrodo costituito da TiO2 miscelato con PEDOT:PSS nel 2012. È stato applicato utilizzando una racla, ottenendo un'elevata efficienza dell'8,49%, paragonabile a un Pt CE (7,50%), poiché le nanoparticelle di TiO2 possono aumentare la superficie del polimero per migliorare le reazioni redox del film. Un CE con un'efficienza elevata del 6,50% (Pt CE era del 6,48%) è stato creato da Xu et al.26 utilizzando TiO2/SnO2, un film composito nanoporoso combinato con PEDOT:PSS. A causa dei suoi siti più attivi per la riduzione \({\text{I}}_{3}^{ - }\), il film composito TiO2/SnO2/PEDOT:PSS ottenuto mostra una migliore attività catalitica per la riduzione del triioduro rispetto al PEDOT originario :Pellicola PSS. Ciò porta ad un aumento significativo del fattore di riempimento del materiale e dell'efficienza delle celle. L'rGO/ZnSe/CoSe2 poroso combinato con un controelettrodo PEDOT:PSS creato da Tapa et al.27 aveva un'elevata efficienza della cella solare pari all'8,60% e ha sovraperformato i CE platinati (7,14%) in termini di attività catalitica per il \({\text {I}}^{ - } /{\text{I}}_{3}^{ - }\) reazione redox. Ahmed et al.28 hanno creato un composito MoS2/NC con PEDOT:PSS. Il PCE del dispositivo con un CE composito MoS2/NC-PEDOT:PSS con area superficiale maggiore è stato superiore del 7,67%, con conseguenti prestazioni elettrocatalitiche più elevate rispetto ai CE PEDOT:PSS nudi (4,11%). Recentemente, la nostra ricerca ha utilizzato carbone attivo residuo agricolo combinato con PEDOT:PSS con un'efficienza DSSC del 5,85%, attività elettrocatalitiche più elevate per la riduzione di \({\text{I}}_{3}^{ - }\), conduttività e efficienze rispetto ai Pt CE (5,43%)29. Pertanto, la miscelazione delle ceneri volanti in PEDOT:PSS può aumentare il numero di siti attivi, le proprietà catalitiche e l'efficienza dei DSSC.