嵌入rGO薄膜中的FeS2纳米片：一种新型纳米结构对电极，用于提高染料敏化太阳能电池（DSSC）的效率

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：FeS 2 Nanoplates Embedded in rGO Sheets: A Novel Nanostructured Counter Electrode for Enhanced DSSC Efficiency

本研究通过一锅法成功制备了FeS?/rGO纳米复合材料，结构表征显示均匀分布的六方FeS?纳米板（尺寸1μm×70nm）与rGO片层高度复合。电化学测试表明该材料在DSSC中表现出6.23%的PCE，显著优于纯FeS?（4.63%）和Pt电极（5.89%），其高催化活性源于FeS?活性位点与rGO导电框架的协同效应，同时增强离子传输和表面活性位点密度。

　　本研究围绕一种新型的纳米复合材料展开，该材料由六边形铁硫化物（FeS?）纳米片与还原氧化石墨烯（rGO）片层复合而成，作为染料敏化太阳能电池（DSSCs）中的对电极材料。DSSCs作为一种高效的光电转换技术，因其成本低廉、结构简单以及对光的高容忍度等优势，近年来受到广泛关注。特别是在建筑一体化光伏（BIPV）领域，DSSCs因其透明性和可调颜色特性而成为重要的研究方向。然而，传统对电极材料——铂（Pt）由于成本高昂、资源有限以及可能释放有毒气体等缺点，限制了其广泛应用。因此，寻找替代Pt的高效、低成本对电极材料成为当前研究的重点。

在众多替代材料中，过渡金属硫化物（TMS）因其优异的催化性能和良好的导电性而备受关注。FeS?作为一种TMS材料，具有较高的吸收系数和较窄的带隙（0.95 eV），使其在作为对电极材料时展现出良好的性能。尽管FeS?在某些方面表现出色，但其电子传输能力仍需进一步优化以提高催化效率。为此，研究人员尝试将FeS?与碳基材料如rGO结合，以增强其电化学性能。rGO作为一种二维材料，不仅具有良好的导电性，还能有效改善FeS?的分散性和稳定性，从而提升整体性能。

本研究通过一种简便的一步溶剂热法合成了FeS?/rGO纳米复合材料。该方法具有操作简单、条件温和等优点，能够在短时间内获得高质量的复合材料。合成过程中，首先将高纯度的氧化石墨烯（GO）粉末溶解于乙二醇中，并进行超声处理以确保其均匀分散。随后，加入硫、尿素和硫酸亚铁等前驱体，通过溶剂热反应在rGO表面生长出FeS?纳米片。实验结果显示，所合成的FeS?纳米片长度约为1微米，厚度约为70纳米，均匀分布在rGO片层上，形成了一种结构稳定、性能优良的纳米复合材料。

为了进一步验证材料的结构和性能，研究人员进行了多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）以及扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。XRD分析表明，所合成的FeS?具有立方晶型，其特征峰与标准卡片（JCPDS no. 01-1295）吻合，说明材料的结晶度较高。同时，通过XRD分析还发现，FeS?/rGO复合材料的晶粒尺寸小于纯FeS?，表明rGO的引入对FeS?的晶体生长起到了一定的抑制作用，可能有助于提高其表面活性位点的密度。拉曼光谱则进一步揭示了FeS?与rGO之间的相互作用，其D/G峰比值的降低表明rGO的还原程度较高，从而提高了其导电性和催化活性。

在显微镜图像中，FeS?纳米片呈现出六边形结构，表面光滑，分布均匀。通过SEM和TEM图像可以观察到，FeS?纳米片在rGO片层上形成了一种高度互联的结构，部分纳米片之间甚至出现了二次颗粒的生长，进一步增加了材料的比表面积和催化活性。此外，通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）分析，研究人员确认了FeS?与rGO之间的界面结合较为紧密，这有助于电子在电极与电解质之间的快速传输，从而提升整体的电化学性能。

为了评估FeS?/rGO复合材料的电催化性能，研究人员进行了循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分析。CV曲线显示，FeS?/rGO复合材料在I?/I??红ox耦合反应中表现出更高的还原峰电流和更低的过电位，这表明其具有更优异的电催化活性。相比之下，纯FeS?和Pt电极的CV曲线则显示出较低的还原峰电流和较高的过电位，说明FeS?/rGO复合材料在电催化性能方面优于这两者。EIS分析进一步验证了这一结论，结果显示FeS?/rGO复合材料的电荷转移电阻（Rct）和溶液电阻（Rs）均低于纯FeS?和Pt电极，这表明其电子传输过程更为高效，从而提升了太阳能电池的光电转换效率。

此外，为了评估材料的稳定性，研究人员对FeS?/rGO复合材料进行了长期测试，包括在室温下暴露1.5个月后的电化学性能测试。结果显示，FeS?/rGO复合材料的过电位（EPP）值变化较小，表明其具有良好的稳定性和抗腐蚀能力。这一特性对于实际应用中的太阳能电池尤为重要，因为长期暴露在环境中可能会导致材料性能的下降。

在DSSCs的制备过程中，研究人员采用了标准的工艺流程。首先，将氟掺杂的氧化锡（FTO）玻璃基底进行超声清洗，以去除表面杂质。随后，使用TiO?浆料在基底上形成光阳极，并在高温下烧结以提高其结晶度和附着力。接着，将FeS?/rGO复合材料作为对电极材料，通过滴涂法将其均匀涂覆在另一片FTO基底上。最后，将光阳极和对电极通过Surlyn隔板分隔，并加入含有碘化锂、碘和1-甲基-3-丙基咪唑碘盐的电解液，形成完整的太阳能电池结构。为了确保电池的密封性和导电性，研究人员在110°C下进行热压处理。

在光电性能测试中，FeS?/rGO复合材料对电极的DSSC表现出显著的性能优势。其短路电流密度（Jsc）达到14.7 mA/cm2，开路电压（Voc）为0.80 V，填充因子（FF）为0.53，最终的光电转换效率（PCE）高达6.23%，这比纯FeS?的4.63%和Pt电极的5.89%都要高。这一结果表明，FeS?/rGO复合材料在提升DSSC性能方面具有巨大潜力。Jsc的提升主要归因于FeS?对电极的高效电子传输能力，而Voc的提高则与TiO?的带隙特性有关。同时，FF的改善也反映了电池内部电荷传输效率的提升。

为了进一步分析FeS?/rGO复合材料的性能优势，研究人员将其与其他已报道的对电极材料进行了比较。结果显示，该材料的性能在多个指标上均优于现有的rGO复合对电极材料，例如MoS?/石墨烯量子点、CoS?/rGO、CNT@rGO@Cu?S复合材料等。这一对比不仅突显了FeS?/rGO复合材料的优越性，也为其在实际应用中的推广提供了依据。

从实验结果来看，FeS?/rGO复合材料的优异性能主要源于其独特的结构设计和材料间的协同效应。FeS?纳米片的高催化活性与rGO的高导电性相结合，不仅增加了电极的活性位点密度，还优化了离子的扩散路径，从而提升了整个电池的电化学性能。此外，FeS?与rGO之间的紧密结合，使得电子能够更快速地从电极传输到电解质，减少了电荷转移过程中的阻力，进一步提高了光电转换效率。

本研究的意义在于，它为开发高效、低成本的DSSC对电极材料提供了一种新的思路。FeS?作为一种丰富的地球资源，其使用不仅降低了材料成本，还减少了对稀有金属的依赖。同时，一步溶剂热法的合成方式也简化了制备过程，提高了材料的可重复性和可扩展性。这些因素共同推动了FeS?/rGO复合材料在实际应用中的可行性。

总的来说，FeS?/rGO纳米复合材料在结构设计、材料选择以及合成方法等方面均展现出显著的优势。其优异的电催化性能和良好的稳定性使其成为替代传统Pt电极的理想候选材料。随着对可再生能源需求的不断增加，FeS?/rGO复合材料的应用前景十分广阔，有望在未来的太阳能电池技术中发挥重要作用。