Synthese van MoIn2S4@CNT's composiet tegenelektrode voor kleurstofgevoelige zonnecellen

Abstract

Een ternaire en samengestelde MoIn₂ S₄ @CNTs tegenelektrode (CE) met een egelbalstructuur werd gesynthetiseerd met behulp van een gemakkelijke eenstaps hydrothermische methode. De samengestelde MoIn₂ S₄ @CNTs-film heeft een groot specifiek oppervlak via N₂ adsorptie-desorptie-isothermentest, wat voordelig is om meer elektrolyt te adsorberen en een groter actief contactoppervlak voor de elektrode te bieden. Bovendien is de samengestelde MoIn₂ S₄ @CNTs CE vertoont een lage weerstand tegen ladingsoverdracht en een fijn elektrokatalytisch vermogen gemaakt van een reeks elektrochemische tests, waaronder cyclische voltammetrie, elektrochemische impedantie en Tafel-curves. Onder optimale omstandigheden is de DSSC gebaseerd op de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 composiet CE behaalt een indrukwekkende stroomconversie-efficiëntie van wel 8,38%, wat opmerkelijk hoger is dan die van de DSSC's met de MoIn₂ S₄ CE (7,44%) en de Pt-elektrode (8,01%). Het huidige werk biedt een vereenvoudigd voorbereidingsproces voor de DSSC's.

Achtergrond

In de afgelopen decennia is het dringend nodig om hernieuwbare energie te exploiteren en te gebruiken ter vervanging van de conventionele fossiele brandstoffen, terwijl het ernstige energietekort en de aantasting van het milieu toenemen [1, 2]. Dye-sensitized zonnecel (DSSC) heeft wijdverbreid onderzoek aangetrokken vanwege de milieuvriendelijkheid, het gemakkelijke voorbereidingsproces, de schitterende fotovoltaïsche prestaties, enzovoort [3, 4]. De tegenelektrode (CE), als een van de belangrijkste componenten van een DSSC, speelt de rol van het verzamelen van elektronen uit het externe circuit en katalyseert de reductiereactie van I₃ ⁻ naar I⁻ in de vloeibare elektrolyt [5, 6]. Over het algemeen bevatten ideale CE-materialen de voordelen van een hoge elektrische geleidbaarheid en opmerkelijke katalytische activiteit. Platina (Pt) als een veel voorkomend en efficiënt CE-materiaal is echter beperkt tot grootschalige gecommercialiseerde toepassingen vanwege de grote zwakheden van schaarste, duur en slechte stabiliteit op lange termijn [7, 8]. Daarom zijn er al jaren veel inspanningen geleverd om gemakkelijk toegankelijke, kosteneffectieve en Pt-achtige katalytische activiteit te ontwikkelen die al jaren wordt toegepast in DSSC [9].

Tot nu toe zijn verschillende soorten uitstekende alternatieve materialen voorgesteld, zoals koolstofhoudende materialen [10, 11], overgangsmetaalchalcogeniden [12], geleidende polymeren [13], metaallegeringen [14] en hun verbindingen [15, 16] ]. Onder hen trokken de binaire overgangsmetaalchalcogeniden veel aandacht vanwege hun unieke structuur en chemische eigenschappen. Bijvoorbeeld de gesynthetiseerde MoS₂ op FTO-substraat vertoont een sandwich-gelaagde structuur, een groter oppervlak en meer actieve randlocaties, wat leidt tot extreem foto-elektrische prestaties als CE voor DSSC [17]. Ondertussen was uitgebreid onderzoekswerk gericht op de katalytische activiteit voor I₃ ⁻ verlaging is ook doorgevoerd voor WS₂ [18], FeS₂ [19], CoS [20] en NiS₂ [21], die vergelijkbaar of zelfs beter waren dan die van de Pt-elektrode. Desalniettemin belemmerde de inherente eigenschap van deze materialen, zoals een lage elektrische geleidbaarheid en slechts twee vaste chemische samenstellingen, een verdere verbetering van hun katalytische activiteit [22]. Daarom werden talrijke methoden gebruikt om de bovengenoemde tekortkoming te verhelpen om multinaire overgangsmetaalchalcogeniden te synthetiseren door aanpassing van componentelementen, structuurontwerp en morfologie-aanpassing. Gelukkig hebben aanzienlijke multinaire overgangsmetaalchalcogeniden aanzienlijke verbeteringen bereikt in het katalytische vermogen voor DSSC's, zoals NiCo₂ S₄ [23], MIN₂ S₄ (M =Fe, Co, Ni) [22], CuInS₂ [24], CoCuWS_x [25], en Ag₈ GeS₆ [26], waarvan het katalytische vermogen duidelijk veel beter is dan dat van hun binaire tegenhangers.

Bovendien wordt algemeen erkend dat koolstofnanobuizen (CNT's) aanzienlijk nieuwe kenmerken vertonen van een groot specifiek oppervlak, uitstekende elektrische geleidbaarheid, hoge mechanische sterkte en fotochemische stabiliteit, die veel worden gebruikt bij de synthese en modificatie van andere materialen [27]. Helaas vertonen CNT's een slechte elektrokatalytische activiteit voor I₃ ⁻ reductie, die hun toepassing onafhankelijk in een DSSC-apparaat aanzienlijk beperkt. Gelukkig heeft een groot aantal onderzoeken aangetoond dat de samengestelde CE gemodificeerd met CNT's allemaal sterk verbeterde foto-elektrische prestaties voor DSSC's opleverde [18, 28, 29]. Liu et al. hebben een bloemachtige hiërarchische structuur van Cu₂ . gemeld MnSnS₄ /CNT (CMTS/CNT) CE via solvothermische methode in DSSC behaalde een foto-elektrische conversie-efficiëntie van 8,97%, veel hoger dan die van de DSSC's met CMTS (6,21%) en Pt (8,37%) CE's [29].

Op basis van bovenstaande overwegingen is in dit onderzoek een MoIn₂ S₄ @CNT composiet CE van DSSC met egelbalstructuur werd gesynthetiseerd met behulp van een gemakkelijke eenstaps hydrothermische methode en zal naar verwachting de hogere apparaatprestaties verbeteren. Scanning-elektronenmicroscoopresultaten laten zien dat verschillende CNT-inhouden resulteren in zichtbare veranderingen in de morfologie. Volgens een reeks elektrochemische karakteriseringen, waaronder cyclische voltammetrie (CV), elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) en Tafelcurve-tests, is de MoIn₂ S₄ @CNTs CE geeft een opmerkelijke katalytische activiteit en fijne ladingsoverdrachtsweerstand aan. De DSSC geassembleerd met de MoIn₂ S₄ @CNTs CE met geschikte inhoud bereikt een superieure stroomconversie-efficiëntie van 8,38%, wat beter is dan die van de DSSC op basis van de Pt CE (8,01%).

Methoden

Materialen

Natriummolybdaatdihydraat (Na₂ MoO₄ ·2H₂ O), indiumchloridetetrahydraat (InCl₃ ·4H₂ O) en thioacetamide (TAA) werden gekocht bij Shanghai Chemical Agent Ltd., China, die direct zonder verdere zuivering werden gebruikt. Koolstofnanobuisjes (CNT's) werden verkregen van Aladdin Chemical Agent Ltd., China. De commerciële Z907-kleurstof werd verkregen van Solaronix Ltd. (Zwitserland). De met fluor gedoteerde SnO₂ (FTO) glas, gekocht bij NSG, Japan (15 Ω sq⁻¹ ), werden achtereenvolgens schoongemaakt met wasmiddel en aceton en ethylalcohol na het snijden in vierkanten van 1,5 cm x 2,0 cm.

Voorbereiding van poreuze TiO₂ fotoanodes

Het colloïde van TiO₂ werd voorbereid als ons vorige werk [30]. De kleurstofgevoelige TiO₂ fotoanodes werden als volgt gefabriceerd:Ten eerste, 3M-tape (50 μm dik) met een blootgesteld gebied van 0,283 cm² was aangesloten op FTO. Vervolgens wordt de zoals voorbereide TiO₂ colloïde werd aangebracht met behulp van een mes-coatingmethode. Ten tweede, de drogende TiO₂ elektrode werd gesinterd bij 450 ° C gedurende 30 min in moffeloven. Daarna zal de TiO₂ elektrode werd ondergedompeld in een 40 mM titaniumtetrachloride (TiCl₄ ) waterige oplossing bij 70 °C gedurende 30 min, en vervolgens gegloeid in lucht bij 450 °C gedurende 30 min. Na afkoeling tot kamertemperatuur kan de TiO₂ elektrode werd ondergedompeld in kleurstof Z907 (0,3 mM) absolute ethanoloplossing gedurende 24 u om voldoende kleurstoffen te adsorberen en verkreeg de resulterende kleurstof-gesensibiliseerde TiO₂ fotoanode.

Vervaardiging van ternaire MoIn₂ S₄ @CNTs CE

De MoIn₂ S₄ dunne films werden rechtstreeks op FTO-substraten gekweekt door een eenvoudige benadering die verwijst naar ons vorige rapport [31]. In een typisch preparaat, 0,0696 g Na₂ MoO₄ ·2H₂ O, 0,169 g InCl₃ ·4H₂ O en 0, 1394 g TAA werden gedurende 2 uur onder ultrasone trillingen gediffundeerd in 30 ml gedeïoniseerd water totdat alle reactanten waren opgelost. De vooraf gereinigde FTO-substraten werden in een met Teflon beklede roestvrijstalen autoclaaf van 100 ml gedaan met de geleidende zijde naar boven gericht voordat het bovenstaande precursormengsel erin werd overgebracht. Na te zijn afgesloten werd de autoclaaf in een oven geplaatst en gedurende een reactietijd van 15 uur onder 200°C verwarmd. De FTO-glassubstraten bedekt met MoIn₂ S₄ materialen werden uit de autoclaaf gehaald, gewassen met ethanol, gedeïoniseerd water en vervolgens 12 uur aan de lucht gedroogd onder 60°C.

Om de impact van de CNT-inhoud op de gefabriceerde composiet CE en de prestaties van de DSSC te bestuderen, werden verschillende inhoud van CNT's die aan de voorloper werden toegevoegd, uitgevoerd, waaronder drie monsters waarin de hoeveelheid CNT's 10, 20 en 30 mg was , respectievelijk, waarbij de andere reagentia en fabricageprocessen ongewijzigd blijven. De bovenstaande voorbeelden zijn gemarkeerd als MoIn₂ S₄ (0 mg), MoIn₂ S₄ @CNTs-1 (10 mg), MoIn₂ S₄ @CNTs-2 (20 mg), en MoIn₂ S₄ @CNTs-3 (30 mg).

Ter vergelijking werd een gepyrolyseerd Pt CE gebruikt als referentie CE. De H₂ PtCl₆ in isopropanoloplossing (0,50 wt%) werd op het oppervlak van het FTO-glas gedruppeld en vervolgens gedurende 30 min bij 450 °C in een moffeloven gesinterd om het Pt CE te fabriceren.

Vervaardiging van de DSSC's

De DSSC's met sandwichstructuur werden geconstrueerd door de CE's van het monster (inclusief MoIn₂ S₄ , verschillende MoIn₂ S₄ @CNT's en Pt CE's) samen met zoals bereid, kleurstofgevoelig TiO₂ fotoanode. Surlyn werd gebruikt als afstandhouder tussen de elektroden en gevolgd door het vullen van de tussenruimte met vloeibare redoxelektrolyt die bestond uit 0,60 M tetrabutylammoniumjodide, 0,10 M lithiumjodide, 0,05 M jodium en 0,50 M 4-tert-butyl-pyridine-acetonitriloplossing.

Karakteriseringen

De samenstelling van de chemische elementen van de monsters werd gekarakteriseerd met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) analyse (Kratos Axis Ultra). De morfologische kenmerken van monsters werden waargenomen door veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM, JSM-7001F). BET-specifieke oppervlaktemethode werd gebruikt met behulp van een JW-K-analysator door stikstofabsorptie om het oppervlak en de poriegrootteverdeling te testen. De overige relevante elektrochemische eigenschappen zijn onderzocht door een CHI660E elektrochemisch werkstation. De elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werd uitgevoerd in een frequentiebereik van 0,1–10⁵ Hz met een gestoorde amplitude van 5 mV. De fotovoltaïsche prestaties van de DSSC's werden uitgevoerd door het meten van stroomdichtheid-spanning (J -V ) karakteristieke curven bij instraling van 100 mW cm⁻² van de zonnesimulator (CEL-S500, Beijing China Education Au-light Co., Ltd).

Resultaten en discussies

Samenstelling en morfologie

De XPS wordt gebruikt om de oppervlaktesamenstellingen en chemische toestanden van elk element in MoIn₂ . te onderzoeken S₄ en MoIn₂ S₄ @CNT's films. Het spectrum van onderzoeksgegevens in MoIn₂ S₄ en MoIn₂ S₄ @CNTs-2-monsters worden getoond in Fig. 1a om de aanwezigheid van Mo-, In-, S- en C-elementen (als referentie) te verifiëren. Bovendien worden alle spectra van de vier monsters, gekalibreerd door de C 1s-piek bij de bindingsenergie van 284,6 eV [17], geanalyseerd via de Gauss-aanpasmethode die wordt weergegeven in Fig. 1b en c. De C 1s-piek verscheen in MoIn₂ S₄ Het is bekend dat het monster afkomstig is van de onvoorziene koolstof die wordt veroorzaakt door blootstelling aan de lucht. In het Mo 3d-gebied worden twee hoofdpieken bij 228,8 en 232,1 eV toegewezen aan Mo 3d5/2 en Mo 3d3/2 van de MoS₂ [32], respectievelijk. Dit resultaat bevestigt dat het Mo-element zich in zijn IV-oxidatietoestand bevindt, die wordt gereduceerd tot Mo⁴⁺ (MoIn₂ S₄ ) van Mo⁶⁺ (Na₂ MoO₄ ) [33]. De doubletpieken bij bindingsenergieën van 445,2 en 452,2 eV komen overeen met In 3d5/2 en In 3d3/2 [24, 34]. Wat betreft de XPS-spectra van S 2p, de pieken op 161,8 en 163,1 eV behoren respectievelijk tot S 2p3/2 en 2p1/2, wat wordt toegeschreven aan de S₂ ⁻ [17, 32]. De bovenstaande resultaten komen goed overeen met onze eerdere onderzoeken [31]. Bovendien wordt er geen ander element of extra piek gevonden in het onderzoek, wat opnieuw bevestigt dat de gesynthetiseerde monsters dezelfde chemische samenstelling en structuur hebben.

XPS-spectra van de monsters

De oppervlaktemorfologieën van de voorbereide MoIn₂ S₄ en MoIn₂ S₄ @CNTs-nanofilms worden waargenomen door SEM-afbeeldingen in Fig. 2. In Fig. 2a, MoIn₂ S₄ monster vertoont een bloembladachtige nanobladstructuur met een uniform, glad en dicht oppervlak. In tegenstelling tot MoIn₂ S₄ nanofilms, wordt de structuur van de egelbal gevonden in MoIn₂ S₄ @CNT-monsters in Fig. 2b–d en de gemiddelde diameter van de MoIn₂ S₄ @CNTs nanosferen is ongeveer 890 nm. Het is gemakkelijk te zien dat zoveel netwerk nanosheets volgroeid zijn op het FTO-substraat. Vergeleken met de MoIn₂ S₄ @CNT-samples met lage (MoIn₂ S₄ @CNTs-1) en hoog (MoIn₂ S₄ @CNTs-3) CNT-inhoud, het voorbeeld met matige inhoud (MoIn₂ S₄ @CNTs-2) vertoont meer egelballen en nanosheets-array op het netwerk van de MoIn₂ S₄ . Een goede contactprestatie tussen de netwerk-nanosheet-arraystructuur met een groot aantal egelballen op FTO-substraat vergemakkelijkt de reductie van I₃ ⁻ toegeschreven aan zijn goede geleidbaarheid en uitgestrekte katalytische actieve plaatsen, waarvan kan worden voorspeld dat de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE zal betere prestaties behalen dan die van de MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNTs-1 en MoIn₂ S₄ @CNT's-3 CE's. Bovendien, ongelijke morfologieën tussen MoIn₂ S₄ en MoIn₂ S₄ @CNT's geven aan dat CNT's een cruciale rol spelen bij het beheersen van de morfologie van de monsters.

SEM-afbeeldingen van a MoIn₂ S₄ , b MoIn₂ S₄ @CNTs-1, c MoIn₂ S₄ @CNTs-2 en d MoIn₂ S₄ @CNTs-3

Afbeelding 3 toont de XRD-patronen van verschillende monsters. Onder hen zijn de diffractiepieken bij 25,74 en 42,85 ° toe te schrijven aan de signalen van de CNT's [31]. De diffractiepieken bij 2θ =27,5, 33,4, 43,7, 47,9, 56,2 en 59,6° behoren tot het (311), (400), (511), (440), (533) en (444) kristallografische vlak (JCPDS kaart nr. 32-0456) van In₂ S₃ . De pieken bij 14,4 en 66,5° worden beschouwd als (002) en (114) kristalvlakken met kubische structuur (JCPDS-kaart nr. 37-1492) voor de MoS₂ [33]. Van de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 en MoIn₂ S₄ monsters, komen de pieken van het hierboven besproken goed in beide monsters voor. Vergeleken met de MoIn₂ S₄ monster, de piek voor de CNT's bij 25,74° is duidelijk te zien in MoIn₂ S₄ @CNTs-2 XRD-patronen. Er kan dus worden afgeleid dat de MoIn₂ S₄ @CNTs-2-materialen worden met succes gesynthetiseerd en er zijn geen introducties van onzuiverheden.

XRD-patronen van verschillende samples

N₂ adsorptie-desorptie-isothermen worden gemeten en getoond in figuur 4 om de specifieke oppervlakken en poriekenmerken te verkennen. Over het algemeen vergemakkelijkt het grotere specifieke oppervlak een gemakkelijkere ladingsoverdracht op de CE/elektrolyt-interface [35]. Uit Fig. 4 blijkt dat de monsters een duidelijke hysterese-lus van type IV adsorptie-desorptiegedrag hebben, en hun overeenkomstige gegevens berekend op basis van de Brunauer-Emmett-Teller (BET) en Barrett-Joyner-Halenda (BJH) methode zijn getabelleerd in Tabel 1. Ter vergelijking:het is gemakkelijk te vinden dat het specifieke oppervlak en de gemiddelde poriediameter van de MoIn₂ S₄ @CNT-samples zijn veel beter dan die van de MoIn₂ S₄ . Onder de drie MoIn₂ S₄ @CNT-voorbeelden, MoIn₂ S₄ @CNTs-2 toont het grootste specifieke oppervlak van 66,80 m² g⁻¹ en de kleinste gemiddelde poriediameter van 17,8 nm, die kan worden toegeschreven aan de uitstekende egelbalstructuur na dotering van matige CNT's. Het is redelijk om aan te nemen dat de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE zal de fijne katalytische activiteit verkrijgen en daardoor zeer efficiënte apparaatprestaties bereiken.

N₂ absorptie-desorptie-isothermen van verschillende monsters

Elektrochemische eigenschappen

CV-metingen worden uitgevoerd om het elektrokatalytische gedrag van de verkregen monsters te bestuderen in het potentiaalbereik van -0,6 tot 1,0 V bij een scansnelheid van 60 mV s⁻¹ voor de MoIn₂ S₄ en MoIn₂ S₄ @CNT's CE's en de berekende waarden zijn samengevat in Tabel 1. De linkerpieken van de twee paren oxidatie- en reductiepieken in elke CV-curve in Fig. 5a worden toegeschreven aan de vergelijking (I₃ ⁻ + 2e⁻ ↔ 3I⁻ ), die de prestatie van elektrokatalytische activiteit van de CE-materialen bepaalt, vooral in DSSC's [23, 36]. De waarden van de negatieve reductiepiekstroomdichtheid (J _pc ), een belangrijke parameter in de CV-test, volgt de orders van Pt (3.80 mA cm⁻² ) 2 S₄ (4,31 mA cm⁻² ) 2 S₄ @CNTs-1 (4,68 mA cm⁻² ) 2 S₄ @CNTs-3 (5.09 mA cm⁻² ) 2 S₄ @CNTs-2 (7,47 mA cm⁻² ). Blijkbaar is de MoIn₂ S₄ CE zelf heeft een goede katalytische activiteit en de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE vertoont veel hogere J _pc dan die van de Pt, MoIn₂ S₄ CE's en de andere twee soorten MoIn₂ S₄ @CNT's CE's toegeschreven aan de kenmerkende oppervlaktemorfologie, het synergetische effect van gedoteerde CNT's en het grotere oppervlak. De resultaten geven aan dat de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE heeft een fijne elektrokatalytische activiteit voor de I⁻ /I₃ ⁻ redoxpaar in DSSC CE's. Afbeelding 5b toont de CV-curven van de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE met een scansnelheid van 60 mV s⁻¹ en ze veranderen bijna niet met 50-cycli, wat aangeeft dat de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE bezit een uitstekende elektrochemische stabiliteit.

een CV's van de verschillende CE's met een scansnelheid van 60 mV s⁻¹ . b 50 cycli CV van de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE

Afbeelding 6a–c toont de cv's van MoIn₂ S₄ @CNT's CE's met verschillende scansnelheden. Terwijl de scansnelheden toenemen van 20 naar 120 mV s⁻¹ , verschuiven de oxidatie- en reductiepieken naar positieve en negatieve richting als gevolg van de snelle diffusies van I⁻ /I₃ ⁻ redoxpaar op de oppervlakken van CE's en de grote elektrochemische polarisatie [28]. Verder toont figuur 6d de relatie tussen de anodische en kathodische piekstroomdichtheden van de linker piekparen tegen de vierkantswortel van de zwaaisnelheden. De goed passende lineaire relaties geven aan dat de redoxreactie van I⁻ /I₃ ⁻ wordt gedomineerd door diffusie-gecontroleerd ionentransport [22, 25].

CV's van de MoIn₂ S₄ @CNT's CE's met verschillende scansnelheden a MoIn₂ S₄ @CNTs-1, b MoIn₂ S_4@ CNTs-2, c MoIn₂ S₄ @CNTs-3 en d de invloeden van de scansnelheid op de stroomdichtheid van de redoxpieken

Figuur 7a toont de Nyquist-grafieken van de verschillende monsters om meer inzicht te krijgen in de kinetiek van het grensvlakladingsoverdrachtproces. De EIS-gegevens gemaakt van de aangepaste curven met een modelequivalent circuit van het inzetstuk staan vermeld in Tabel 2. De Nyquist-grafieken bevatten doorgaans twee halve cirkels, de eerste halve cirkel aan de linkerkant vertegenwoordigt de ladingsoverdrachtsweerstand R _ct op de CE- en elektrolytinterface, en de tweede halve cirkel komt overeen met de Nernst-diffusie-impedantie in de elektrolyt, terwijl het snijpunt van de curve in het hoogfrequente gebied op de reële as bekend staat als de serieweerstand R _s . In het algemeen, R _s en R _ct zijn twee essentiële parameters voor het evalueren van de katalytische activiteit van CE in DSSC. Een kleine R _s geeft goed contact aan tussen de katalysator en het substraat, en daarom is de weerstand van het hele apparaat ook klein [29, 37, 38]. Ondertussen, kleine R _ct staat voor een hoge overdrachtssnelheid. Zoals weergegeven in tabel 2, de R _s waarden van de MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNTs-1, MoIn₂ S₄ @CNTs-2 en MoIn₂ S₄ @CNTs-3 CE's zijn 24,77, 23,16, 18,96 en 19,58 cm² , respectievelijk. Het is duidelijk dat alle samengestelde MoIn₂ S₄ @CNTs CE's hebben de kleinere R _s dan die van de MoIn₂ S₄ CE, wat aangeeft dat de geleidbaarheid van de MoIn₂ S₄ @CNT's CE's worden verbeterd na doping CNT's. Verder zijn onder de vier CE's de trends van R _ct is MoIn₂ S₄> MoIn₂ S₄ @CNTs-1> MoIn₂ S₄ @CNTs-3> MoIn₂ S₄ @CNTs-2, wat een omgekeerde volgorde suggereert van elektrochemische impedantie en katalytisch vermogen van de CE's. MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE heeft de laagste R _ct waarde kan worden toegeschreven aan de synergie van de CNT's met fijne geleidbaarheid en MoIn₂ S₄ met uitstekend katalytisch vermogen, wat resulteert in een effectievere reductie van trijodide op het CE/elektrolyt-interface. Blijkbaar zijn de geleidbaarheid en het katalytische vermogen van de MoIn₂ S₄ De samengestelde CE's van @CNTs zijn aanzienlijk verbeterd dan die van de MoIn₂ S₄ CE, en het resultaat komt volledig overeen met de BET- en CV-tests.

een EIS en b Tafelcurves van de symmetrische MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNTs-1, MoIn₂ S₄ @CNTs-2 en MoIn₂ S₄ @CNTs-3 CE's

De Tafel-polarisatiecurven van de verschillende CE's worden gemeten zoals weergegeven in Fig. 7b, en de corresponderende parameterwaarden zijn samengevat in Tabel 2. Normaal gesproken bevat een standaard Tafel-curve twee significante parameters genaamd uitwisselingsstroomdichtheid (J ₀ ) en beperking van diffusiestroomdichtheid (J _lim ). J ₀ is gerelateerd aan de katalytische reductiereactie. Hoe groter de J ₀ is, hoe beter het katalytische effect. J _lim is ook positief gerelateerd aan de diffusie-efficiëntie van elektrolyt. De grotere J _lim geeft de snellere verspreiding van I₃ . aan ⁻ ionen [29, 37]. Zoals weergegeven in figuur 7b en tabel 2, is de J _lim en J ₀ zijn allemaal in volgorde van Pt 2 S₄ 2 S₄ @CNTs-1 2 S₄ @CNTs-3 2 S₄ @CNTs-2, wat suggereert dat de katalytische activiteit van de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE is enorm verbeterd na het dopen van CNT's. Van de bovengenoemde CE's, de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE behaalt de beste katalytische activiteit in vergelijking met de andere. De grootste J _lim en J ₀ van de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE kan worden toegeschreven aan zijn grote specifieke oppervlak gemaakt van egelbalstructuur en verbeterde geleidbaarheid door CNTs-doping.

Fotovoltaïsche prestaties van de DSSC's

Voor contrast, de DSSC's met de MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNT's en Pt CE's worden bereid met de uniforme fotoanodes en elektrolyt. De J -V karakteristieke curven worden gemeten onder 1 zon (AM 1.5 G, 100 mW cm⁻² ) en de bijbehorende waarden voor fotovoltaïsche parameters staan vermeld in Tabel 3. Vier belangrijke parameters, waaronder kortsluitstroomdichtheid (J _sc ), nullastspanning (V _oc ), vulfactor (FF ), en energieconversie-efficiëntie (η ) worden meestal gebruikt om de fotovoltaïsche prestaties van de DSSC's te beoordelen. De FF en η van de DSSC's worden berekend volgens de vergelijkingen. (1) en (2):

$$ \upeta\ \left(\%\right)=\frac{\mathrm{Vmax}\times \mathrm{Jmax}}{\mathrm{Pin}}\times 100\%=\frac{\mathrm{Voc }\times \mathrm{Jsc}\times \mathrm{FF}}{\mathrm{Pin}}\times 100\% $$ (1) $$ FF=\frac{V\max \times J\max }{ V\mathrm{oc}\times J\mathrm{sc}} $$ (2)

waar P _in is de kracht van het invallende licht en J _max (mA cm^–2 ) en V _max (V ) zijn de stroomdichtheid en spanning op het punt van maximale uitgangsvermogen in de J–V curven, respectievelijk.

Zoals te zien is in Fig. 8, zijn de DSSC's met MoIn₂ S₄ en CNT's CE's hebben een stroomconversie-efficiëntie van 7,44% en 3,62%. Vergeleken met de DSSC's met de MoIn₂ S₄ en CNT's CE's, de DSSC's geassembleerd met de drie MoIn₂ S₄ @CNTs CE's vertonen verbetering J _sc en η waarden. Bovendien is de J _sc en η waarden van de DSSC's op basis van de MoIn₂ S₄ @CNT's CE's nemen toe naarmate de CNT-inhoud toeneemt van 10 tot 20 mg. Terwijl het CNT-gehalte verder wordt verhoogd tot 30 mg, resulteert dit in een lichte daling voor de J _sc en η . Vergeleken met de op Pt gebaseerde DSSC, zijn alle drie MoIn₂ S₄ Op @CNT's gebaseerde DSSC's vertonen verbeterde η van 8,16%, 8,31% en 8,38%, die hoger zijn dan die van de op Pt gebaseerde DSSC (η van 8,01%) onder dezelfde voorwaarde. Vooral de DSSC geassembleerd met de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE toont de beste fotovoltaïsche prestaties en bereikt een η van 8,38%, en de bijbehorende J _sc van 17,17 mA cm⁻² , V _oc van 0,745 V, en FF van 0,655. De verbeterde foto-elektrische eigenschap van de DSSC met de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE was te wijten aan het synergetische effect van de CNTs en de MoIn₂ S₄ .

J -V kenmerken van de DSSC's vervaardigd met verschillende CE's

Conclusies

Ternaire MoIn₂ S₄ en MoIn₂ S₄ @CNT's tegenelektroden worden vervaardigd op FTO-substraat met behulp van een gemakkelijke eenstaps hydrothermische methode en geserveerd in DSSC's. Onder optimale omstandigheden zijn de DSSC's gebaseerd op de MoIn₂ S₄ @CNT's CE's bereiken allemaal een goede stroomconversie-efficiëntie. Vooral de DSSC met de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 composiet CE vertoont een goede stroomconversie-efficiëntie van 8,38%, wat veel hoger is dan die van de DSSC's met de MoIn₂ S₄ CE (7,44%) en de Pt-elektrode (8,01%). De verbeterde foto-elektrische eigenschap van de DSSC met de MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE was te wijten aan het synergetische effect van de CNTs en de MoIn₂ S₄ . Ondertussen is het synergetische effect van de MoIn₂ S₄ @CNTs CE in elektrochemische prestaties is bevestigd door een reeks elektrochemische tests, waaronder cyclische voltammetrie, elektrochemische impedantie en Tafel-curves. De samengestelde MoIn₂ S₄ @CNTs-film heeft een groot specifiek oppervlak via N₂ adsorptie-desorptie-isothermentest, wat voordelig is om meer elektrolyt te adsorberen en een groter actief contactoppervlak voor de elektrode te bieden. De feiten van de MoIn₂ S₄ @CNTs CE geserveerd in DSSC verbreedt de potentiële toepassingen van overgangsmetaalcomplexe halfgeleiders op het gebied van opto-elektronische chemie.