利用氩等离子体辅助技术将塑料废弃物转化为PET@rGO@Al?O?复合材料，用于改进染料敏化太阳能电池（DSSC）的性能

《Journal of Water Process Engineering》：Argon plasma-assisted valorization of plastic waste into PET@rGO@Al 2O 3 counter electrodes for improved DSSC applications

研究通过氩等离子体处理回收PET，构建PET@rGO@Al?O?复合材料，优化电子传输和催化性能，使DSSC效率达9.04%，接近Pt基准，验证了等离子体处理参数对性能的影响，为塑料回收与清洁能源提供新方法。

　　

A.K. Aladim|M.A. Sebak|M. Abdelhamid Shahat

沙特阿拉伯朱夫大学理学院物理系，邮政信箱2014，Sakaka

摘要

全球塑料废物的激增不仅威胁环境可持续性，还代表着一种未被充分利用的富含碳的资源库，可用于制造先进的能源材料。有趣的是，本研究首次展示了利用氩等离子体辅助技术将回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）转化为用于染料敏化太阳能电池（DSSCs）的先进对电极（CEs）的过程。研究人员设计了一种混合结构PGA@rGO@Al₂O₃，并通过系统地改变等离子体处理时间（0–8分钟，分别标记为PGA0–PGA8）来调节其电子、结构和催化性能。等离子体处理不仅提高了表面粗糙度和孔隙率以及润湿性，还改变了导电性和光学带结构，从而优化了电荷传输和界面动力学。通过电化学阻抗谱（EIS）、轮廓测量和紫外-可见光谱等综合表征方法，发现当处理时间为PGA6时，复合材料的导电性显著提高，带隙减小，达到了最佳的性能状态。使用PGA6制备的DSSCs显示出9.04%的转换效率（η），接近铂金基准值（9.44%），远优于未经处理的PGA0（4.65%）。入射光子到电流效率（IPCE）谱也证实了等离子体处理样品在光吸收和电荷传输方面的优势，其中PGA6的IPCE峰值（约82%）与铂金相当。这些发现表明，氩等离子体处理是一种可持续且可扩展的方法，可以将塑料废物转化为高性能的DSSC组件。通过将废物回收与等离子体纳米结构化技术相结合，这种方法为下一代CEs的发展开辟了一条绿色且经济可行的路径，推动了循环材料工程和太阳能转换技术的发展。

引言

由于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料的不可生物降解性和巨大的生产量，全球塑料废物管理问题已达到一个临界点[1]。随着环境法规的收紧和循环经济框架的推进，将消费后的PET废物升级为功能性材料已成为重要的研究方向[2]。同时，对可持续、低成本能源技术的需求也在增加。在新兴的太阳能转换系统中，染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其低制造成本、透明性和灵活性而具有巨大潜力[3]。然而，尽管传统铂金（Pt）基对电极具有优异的催化性能，但其高昂的成本、腐蚀性和稀缺性仍构成了重大限制[4],[5]。这为通过使用回收材料制造不含铂金的新型对电极，从而将塑料废物回收利用到清洁能源发展中提供了战略机会。还原氧化石墨烯（rGO）作为一种优良的导电填料，因其高导电性、大表面积和化学稳定性而在DSSC对电极中表现出色[6]。rGO与其他碳基填料的结合为电子传输和电催化活性提供了有效的路径[7],[8],[9],[10],[11]，这正是我们将rGO整合到PET@Al₂O₃复合材料中以提升DSSC性能的策略基础。此外，虽然氧化铝（Al₂O₃本质上是绝缘体，但在纳米复合材料中使用时可以增强表面粗糙度和界面结合力，从而改善与DSSC电解质中氧化还原物质的催化相互作用[12],[13]。PET因其柔性的聚合物结构而适合作为这类功能性复合材料的基底[14]。PGA复合材料结合了这些优点，成为一种可持续、低成本且结构可调的对电极材料，具有广阔的应用前景。

尽管在材料方面取得了进展，但表面特性（如孔隙率、粗糙度、润湿性和界面接触）仍然是影响电荷传输和电催化性能的关键因素[15]。等离子体表面改性，特别是氩等离子体处理，已成为一种强大的工具，可以在不产生化学残留物或结构降解的情况下调整表面化学性质和形态[16],[17]。氩等离子体通过离子轰击实现物理活化，产生表面缺陷，增加粗糙度并增强电子亲和力，这些特性对于优化DSSCs中的界面电子传输和减少电荷复合尤为重要[18]。尽管已有研究表明等离子体改性的石墨烯和金属氧化物复合材料在催化、储能和超级电容器等领域具有有效性，但其在光伏技术中的应用（尤其是涉及塑料衍生混合材料时）仍处于起步阶段且研究不足[19]。在DSSCs的具体背景下，先前的研究已经证明了等离子体处理的石墨烯和碳基材料作为对电极的有效性。例如，Park等人（2014年）[20]和Lim等人（2017年）[21]的研究表明，氩等离子体处理的石墨烯结构显著提高了电催化活性和设备稳定性。然而，等离子体处理对PET基复合材料的影响——尤其是与rGO和金属氧化物结合用于DSSC对电极时——尚未得到系统研究。这是在废物回收、表面工程和太阳能转换交叉领域的一个关键知识空白。此外，尽管已知等离子体处理对DSSC吸收层和对电极表面有益，但文献中缺乏关于不同等离子体参数（如处理时间）如何影响器件结构完整性、催化效率和整体光伏产量的全面理解。为填补这一空白，本研究首次利用回收的PET通过氩等离子体处理制备了一类新型PGA对电极。分别制备了处理时间为0分钟、2分钟、4分钟、6分钟和8分钟的五种样品，分别标记为PGA0、PGA2、PGA4、PGA6和PGA8。这种系统性的等离子体处理调节方式允许精确调控复合材料的表面性质，从而揭示表面活化、界面行为和器件性能之间的关联。

我们研究中等离子体处理的重要性在于其能够改善表面特性，增强电极-电解质界面的电荷传输，并降低内部电阻，从而显著提高DSSCs的效率。我们进行了全面的评估，包括孔隙率、接触角、粗糙度、电化学阻抗谱（EIS）和光学/电学性质，以了解等离子体诱导的表面改性如何影响光伏响应。同时分析了制备的DSSCs的J-V特性，确定了平衡催化活性和结构稳定性的最佳等离子体处理时间。这些多维研究为深入理解等离子体-材料相互作用及其对太阳能电池效率的影响提供了基础。最终，这项研究提出了一种将可持续废物回收与先进纳米材料工程和等离子体表面科学相结合的转型路径，创造出新一代DSSC对电极。该方法不仅减少了塑料废物的填埋量，还通过环境友好的表面改性提升了器件性能。未来的研究方向包括将这一概念扩展到其他聚合物废物，探索协同作用的等离子体气体环境（例如N₂/O₂/He），以及开发适用于工业DSSC生产的可扩展制造工艺。随着DSSCs向商业化迈进，简化材料和工艺、提高效率并降低成本的创新将对其广泛应用至关重要。我们的工作通过展示如何通过智能设计和活化回收材料来达到或超越传统资源密集型组件的性能基准，为此方向迈出了关键一步。

试剂和材料

消费后的PET瓶子从市政固体废物收集中心收集。收集的PET用温和的实验室洗涤剂仔细清洗，用去离子水彻底冲洗，然后在60°C下烘干，并机械切割成大约2×2厘米大小的均匀碎片以供后续处理。使用的分析级试剂包括九水合硝酸铝[Al(NO₃)₃·9H₂O]、尿素（CH₄N₂O]、浓度为95–98%的硫酸（H₂SO₄）和三氟乙酸（TFA）。

表征技术

我们采用了一系列分析技术来研究用于DSSCs的改性PGA复合对电极的结构、形态、光学、表面和电化学特性。使用Bruker D8 Advance衍射仪和PANalytical X'Pert Pro系统通过XRD分析了PET基质中嵌入的rGO和Al₂O₃纳米材料的晶体结构和相组成。

通过XRD进行结构分析

我们使用XRD系统系统研究了PGA对电极复合材料的结构特性，重点关注等离子体处理时间对结晶度、相组成和分子有序性的影响。图3a展示了五种制备样品（PGA0、PGA2、PGA4、PGA6和PGA8）在2θ范围5°–80°内的XRD衍射图。结果揭示了复合基质中由等离子体引起的明显结构重排。

结论

本研究提出了一种创新方法，通过利用氩等离子体辅助技术将回收的PET转化为用于DSSCs的混合PGA对电极，有效解决了塑料废物管理和高性能能源器件开发的双重挑战。等离子体处理不仅激活了表面功能，提高了孔隙率和粗糙度，还调节了电子结构，从而提高了导电性，降低了光学带隙，促进了电荷的快速传输。

CRediT作者贡献声明

A.K. Aladim：撰写 – 审稿与编辑，验证。M.A. Sebak：指导，正式分析。M. Abdelhamid Shahat：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，方法学设计，正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。