MXene/NiCo2S4二维/三维异质结构作为高性能无铂对电极在染料敏化太阳能电池中的应用研究

为解决染料敏化太阳能电池(DSSCs)中昂贵铂(Pt)对电极(CE)的替代问题，韩国东国大学研究人员创新性地构建了MXene/NiCo2S4二维/三维异质结构。该材料通过增强电极/电解质界面接触和电子转移效率，使DSSCs的光电转换效率达到8.76%，优于传统Pt电极(8.46%)。这项研究为开发低成本、高性能下一代光伏器件提供了新思路。

　　

在可再生能源领域，染料敏化太阳能电池(DSSCs)因其制备成本低、工艺简单等优势备受关注。然而，其核心组件对电极(CE)通常需要使用昂贵的铂(Pt)作为催化剂，这严重制约了DSSCs的大规模商业化应用。近年来，二维材料MXene因其优异的导电性和丰富的表面官能团展现出替代潜力，但二维材料固有的堆叠问题会显著降低其电化学活性位点利用率。如何通过材料设计突破这一瓶颈，成为当前研究的关键挑战。

针对这一科学问题，韩国东国大学(Quantum-functional Semiconductor Research Center, Dongguk University, Seoul)的Kumar Subalakshmi、Sejoon Lee等研究人员创新性地将二维MXene与三维NiCo₂S₄纳米花复合，构建了独特的二维/三维异质结构。通过系统的材料表征和电化学测试，他们发现这种结构不仅能有效抑制MXene片层堆叠，还显著提升了I^-/I₃^-氧化还原反应的催化活性。相关研究成果发表在《Journal of Science and Medicine in Sport》，为开发高性能无铂对电极提供了重要理论依据和实践方案。

研究团队主要采用水热法合成三维NiCo₂S₄纳米花，并通过探针超声法将其与MXene片层复合。利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)进行材料表征，结合循环伏安法(CV)、塔菲尔极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)评估电催化性能，最终组装DSSCs器件测试光电转换效率。

结构分析揭示异质构效关系

XRD显示MXene/NiCo₂S₄复合物保留了立方相NiCo₂S₄(JCPDS No:20-0782)和Ti₃C₂ MXene的特征峰，晶胞体积为835.09 ?³。FE-SEM观察到NiCo₂S₄纳米花穿插在MXene片层间，形成80-100 nm的层间距，这种开放通道结构有利于电解质扩散。XPS证实材料中存在Ni²⁺/Ni³⁺和Co²⁺/Co³⁺混合价态，且MXene的介入改变了电子密度分布。

电化学性能突破

CV测试显示MXene/NiCo₂S₄对电极的峰电位差(V_pp)仅0.316 V，小于Pt电极(0.437 V)，还原峰电流密度更高。塔菲尔曲线表明其交换电流密度(J₀)优于Pt，EIS测试显示电荷转移电阻(R_ct)低至12.83 Ω。这些结果归因于异质结构提供的丰富活性位点和快速电荷传输通道。

器件性能验证

组装DSSCs测试显示，MXene/NiCo₂S₄器件的光电转换效率(η)达8.76%，高于Pt基准器件(8.46%)。IPCE光谱显示其积分电流密度达13.22 mA/cm²，且20天后效率保持率高达93.72%。EIS分析证实该器件具有更长的电子弛豫寿命(τ_e=8.11 ms)和更高的复合电阻(R_rec=77.56 Ω)。

这项研究通过巧妙的二维/三维异质结构设计，成功解决了MXene材料堆叠导致的活性位点损失问题。MXene/NiCo₂S₄复合材料兼具高导电性和优异催化活性，其DSSCs性能超越传统Pt对电极，且展现出更好的稳定性。该工作不仅为无铂对电极开发提供了新材料体系，其异质结构设计策略也可拓展至其他能源转换器件领域，具有重要的科学价值和应用前景。