Synthèse et performances électrochimiques de α

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17009 (2022) Citer cet article

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Le but de cette étude est de décrire les performances des nanoparticules d'oxyde d'aluminium et des nanoparticules de spinelle d'aluminate métallique en tant que photo-anodes dans le photovoltaïque à points quantiques. En utilisant une méthode d'auto-combustion sol-gel, les NP Al2O3, CoAl2O4, CuAl2O4, NiAl2O4 et ZnAl2O4 ont été synthétisés avec succès. La formation de nanocomposites Al2O3 NP et MAl2O4 (M = Co, Cu, Ni, Zn) a été confirmée en utilisant plusieurs caractéristiques telles que les spectres XRD, UV-Vis, FTIR, FE-SEM et EDX. La DRX montre que le CoAl2O4 a une taille de cristallite plus petite (12,37 nm) que CuAl2O4, NiAl2O4 et ZnAl2O4. La formation d'une structure spinelle monophasée des échantillons calcinés à 1 100 °C a été confirmée par FTIR. Nos études ont montré que les NP Al2O3 purs ont un écart énergétique inférieur (1,37 eV) à celui du MAl2O4 synthétisé sous irradiation UV-Vis. En raison de la bonne séparation entre les électrons générés par la lumière et les trous formés, la cellule contenant le nanocomposite ZnAl2O4 avec des QD CdS a le rendement le plus élevé de 8,22 % et la densité de courant de 22,86 mA cm−2, tandis que la cellule basée sur NiAl2O4 comme La photoélectrode, six cycles de QD CdS/ZnS et le P-rGO comme contre-électrode ont permis d'obtenir le meilleur rendement de conversion de puissance (PCE) de 15,14 % et une densité de courant de 28,22 mA cm−2. La spectroscopie d'impédance électrochimique montre que les nanocomposites ZnAl2O4 et NiAl2O4 ont les durées de vie des électrons photogénérés (τn) les plus élevées de 11*10−2 et 96*10−3 ms, respectivement, et les taux de diffusion les plus faibles (Keff) de 9,09 et 10,42 ms. −1, respectivement.

L'alpha-alumine et le spinelle d'aluminate métallique de formule M-Al2O4, où M introduit un ion métallique divalent, ont attiré une grande attention pour plusieurs applications en raison de leur stabilité thermique, de leur résistance chimique et mécanique élevée, de leurs rendements quantiques élevés avec des qualités hydrophobes, de leur haute résistance chimique et mécanique. superficie et surface faiblement acide1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Ils ont été largement utilisés comme pigments, capteurs, photocatalyseurs, électrodes magnétiques, réfractaires, optiques et matériaux, impliquant des additifs lubrifiants11,12,13,14,15. Il est connu que la méthode de synthèse peut influencer la cristallinité, la pureté, la surface, la morphologie et la taille des particules des matériaux nanosynthétisés MAl2O4, ce qui a un impact respectable sur leurs propriétés catalytiques et optiques16,17,18. MAl2O4 peut être utilisé avec diverses techniques, notamment la méthode solvothermique, la synthèse par co-précipitation, la méthode sol-gel, les réactions à l'état solide, la méthode hydrothermale, la synthèse de précurseurs polymères assistée par micro-ondes et la méthode hydrothermale16,17,18,19,20. ,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. L’une ou l’autre méthode nécessite un hébergement spécialisé et a un coût respectable, tandis que d’autres inconvénients incluent le manque d’homogénéité et la faible superficie du produit5,6,7,8,9,10,16,17,18,31,32,33. La génération de nanoparticules homogènes de haute pureté a été démontrée par la technique d'auto-combustion sol-gel avec un chauffage rapide et un temps de réaction court . La méthode de synthèse par auto-combustion sol-gel combine des processus chimiques sol-gel et de combustion, ce qui représente une technique rapide et réalisable avec de faibles coûts énergétiques et est parfaite pour la synthèse de matériaux à base d'oxydes métalliques. Plusieurs composés organiques peuvent être utilisés comme carburant, mais ceux-ci ont été fixés par imitation à l’acide citrique, à l’urée, à la glycine et à l’acide tartrique7,12. Le graphène est un matériau intrigant doté d’un nouveau squelette bidimensionnel composé d’une seule couche monomoléculaire d’atomes de carbone hybrides sp21,4. Le graphène possède d'excellentes propriétés dans de nombreux domaines technologiques et scientifiques en raison de ses propriétés uniques5,6, notamment des propriétés électroniques6,7,8, mécaniques et thermodynamiques supérieures9,10. Le graphène a un large domaine d'applications telles que les transistors à effet de champ (FET), les films conducteurs transparents, les dispositifs de stockage d'énergie, la purification de l'eau et les capteurs en raison de ses élégantes propriétés physiques et chimiques16,17,18,31,32. Le P-rGO est un matériau carboné qui présente des caractéristiques optiques, chimiques et électriques similaires à celles du graphène car il repose sur sa structure35. En 1958, Hummers et Offman ont mis au point une méthode de synthèse de P-rGO36,37,38,39,40,41. Cette méthode utilise du H2SO4 pour peler le graphite avec NaNO3 et KMnO4 comme agents oxydants pour le graphite. La méthode de Hummer présente certaines caractéristiques par rapport à celle de Brodie et Staudenmaier. Premièrement, le KMnO4 est un oxydant puissant qui contribue à accélérer la réaction afin que la synthèse puisse être terminée en quelques heures. Deuxièmement, le chlorate n’est pas disponible, ce qui élimine la probabilité d’une éruption de ClO2. Troisièmement, l'échange de fumigation avec NaNO3 élimine la brume acide générée par HNO315. À notre connaissance, aucune étude n’a été réalisée comparant les effets des aluminates spinelles NiAl2O4, CuAl2O4 et ZnAl2O4, produits par la même méthode de synthèse, sur les performances des QDSSC. Les cellules solaires sensibilisées par des points quantiques (QDSSC) ont suscité une grande notoriété ces dernières années, en raison de leur procédure de fabrication facile, de leur bande interdite réglable et à faible coût et de leur rendement de conversion de puissance (PCE) élevé, théoriquement mentionné, pouvant atteindre 44 %42. La technicité photoélectrochimique des QDSSC a le même comportement que les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC), dans lesquelles la cellule solaire est sensibilisée par les QD au lieu des molécules de colorant en tant que couche absorbante de lumière dans les QDSSC43. Un QDSSC est généralement composé d'un film photoanode sensibilisé par points quantiques, d'un électrolyte contenant un couple rédox (c'est-à-dire S2/Sx2) et d'une contre-électrode (CE) (c'est-à-dire Pt et Cu2S)42,43,44. Malgré ces qualités, cependant, les performances des cellules photovoltaïques de la plupart des QDSSC sont bien inférieures à celles acquises des DSSC. À ce jour, une grande partie des travaux de recherche s’est concentrée sur l’amélioration de tous les éléments des QDSSC. Étant donné que l'une des raisons essentielles d'un faible rendement réside dans les interfaces de contre-électrodes, des efforts de recherche particuliers ont été axés sur l'expansion des CE congrus afin d'obtenir simultanément un rendement élevé et des cellules stables.