黄麻/棉花衍生碳-MoS2 复合材料作为双面染料敏化太阳能电池的对电极催化剂

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Jute/Cotton Derived Carbon-MoS 2 Composites as Counter Electrode Catalysts for Bifacial DSSC

　　

• •
  开发了一种废物来源的碳-MoS₂ 复合材料，用作双面DSSC的透明对电极（CE）。
• •
  优化后的电极实现了约65%的透光率和高达7.36%的最高光电转换效率。
• •
  其经济性和较低的电荷转移电阻突显了其作为无Pt对电极的潜力。

引言

自1991年Brian O'Regan和Michael Gr?tzel开创性地引入以来，染料敏化太阳能电池（DSSC）在材料和器件结构的持续进步推动下，发展成为一项重要的第三代光伏技术[1]。这些发展随后将太阳能转换的范畴拓展至新兴的光伏领域[2]。自那以后，该技术因其经济性、简单的加工工艺以及可持续能量转换的潜力，作为传统硅基太阳能电池的有力替代品而备受关注[3]。与DSSC并行发展的是钙钛矿太阳能电池（PSC），其已成为极具前景的光伏技术，功率转换效率已超过26%。然而，其长期运行稳定性仍是一个主要挑战，并持续推动广泛的研究[2]、[3]、[4]。在此背景下，DSSC因其相对简单的制造工艺和成本效益而仍然具有吸引力。因此，本研究专注于通过引入改性天然来源材料来推进DSSC的发展，从而为传统昂贵组件提供一种可持续且经济的替代方案。典型的DSSC采用夹心式逐层结构，包含四个关键部件：涂覆染料的金属氧化物层（光阴极）、电解质以及对电极（CE）[5]。染料作为敏化剂，对DSSC的运行至关重要。染料可分为合成染料、有机染料、有机金属染料和天然染料，其中天然染料是一种经济且环保的替代品，而有机金属染料则具有合成简便、吸收率高和分子设计简单的特点[5]、[6]。

对电极催化三碘离子还原为碘离子，促进高效的电荷转移，并通过外电路完成电化学循环[7]。对电极的合理工程设计可以提高其电催化效率，同时改善其与常用电解质的化学相容性[8]。传统上，由于Pt涂覆导电玻璃具有优异的导电性和对I?/I??还原的催化活性，被广泛用作对电极[9]。尽管其效果显著，但DSSC的大规模商业化仍受到资源有限、材料成本高以及液态电解质不稳定的制约，尤其是其易氧化的特性[10]。这些挑战促使研究范式转向探索低成本、稳定的替代材料，以提升器件性能和耐久性[11]。在此背景下，碳基材料和过渡金属二硫化物（TMDs）因其高电化学活性、导电性和化学稳定性而成为有前景的候选材料[12]。在众多功能材料中，二硫化钼（MoS₂）等TMDs因其层状结构而备受关注。与零带隙石墨烯不同，MoS₂的半导体特性结合其高催化活性和结构稳定性，使其非常适合应用于光电学、能量收集和储能等领域[13]。MoS₂的这些层状结构作为暴露的边缘，承载着催化活性位点并改善电子特性[14]。然而，MoS₂单独作为催化材料存在低稳定性和低导电性等缺陷，而碳材料往往能够克服这些限制。利用生物废物合成多孔碳提供了所需的化学构型，经济实惠且提供了更加可持续的解决方案[15]。多项研究证明了生物来源产品在各种应用中的潜力，包括废水处理[15]、垃圾填埋场[16]、能量转换和储存[17]。Chai等人通过KOH活化法制备了富含孔道的杨木来源碳，用于DSSC对电极应用。在800°C活化的样品显示出显著高功率转换效率5.99%，而非活化样品的效率仅为2.32%[18]。基于这一方法，Sudthongkong等人利用改良Hummers'法从废木薯皮中合成还原氧化石墨烯（rGO），并将其用作对电极。在涂覆至FTO玻璃之前，将rGO浆料与TiO₂进行优化，从而增强了电催化活性。优化后的电池效率达到6.86%，略高于Pt基电池（6.68%）[19]。Yun等人开发了芦荟皮来源的多孔碳/氧化铌杂化物作为多功能电催化剂用于DSSC。优化后的电极效率达到7.31%，超过了Pt（6.84%）[20]。Akman等人的研究中使用了硒活化碳复合材料作为对电极，该复合材料的效率为5.67%，而Pt为6.86%[21]。为拓展基于生物废物的对电极在DSSC中的应用，Tripathi等人开发了一种由玉米芯来源的活性和MoS₂纳米球组成的复合对电极。采用纳米复合聚合物电解质和合成染料制备的DSSC，由于复合材料之间的协同效应，界面电荷转移动力学得到增强，实现了4.34%的最高效率[22]。Zhang等人报道了基于Fe、Co和Ni的生物基碳负载双金属氧化钨对电极，其中NiWO₄/碳复合材料效率达到7.08%[23]。同样，芦荟皮来源的碳与Ta基双金属氧化物耦合，效率达到6.85%，表现出增强的I₃^-还原能力[24]。最近，生物来源的多孔碳负载双金属氧化物（MnW/ZnO）纳米杂化物效率达到7.31%和7.61%，突显了生物质碳和氧化物催化性能的协同贡献[25]。Yun等人讨论了聚合物在DSSC中作为对电极、电解质和基底的用途，强调了其在增强器件功能和光伏性能方面的作用[26]。废物来源的资源在可持续应用方面引起了越来越多的关注，相关研究探讨了绿色废物用于生物产品[27]、食品废物用于化学品和沼气[28]、农业废弃物用于生物质甲烷和可再生燃料[29]，以及食品或农业废弃物用于能源器件[30]。这些努力突显了废物材料在可持续能源增值应用方面的潜力。

本文详细讨论了碳化的杂原子掺杂棉绳和黄麻废物改性P掺杂MoS₂复合材料的制备，并将其用作双面DSSC的透明对电极。本研究的新颖性在于将废弃的黄麻和棉绳废物转化为功能性碳骨架，并将其整合到MoS₂结构中，从而为双面DSSC应用开发一种经济高效、可行且可持续的Pt对电极替代方案。该研究建立了生物质来源的碳骨架与掺杂MoS₂之间的结构-性能关系，证明了其增强的催化、界面电荷转移和光伏性能，同时为废物利用提供了一条增值途径。复合材料通过简单的水热程序形成。浆料制备后采用简单的旋涂方法涂覆于透明导电氧化物（TCO）基底的基底上。进行了各种电极研究以确认对电极薄膜的电催化行为和稳定性。随后，制备了电池以实现高效的双面染料敏化太阳能电池。进行了各种光伏和电化学阻抗谱测量，以解释复合材料形成对太阳能电池效率和电荷转移特性的影响。本研究的原创性在于将废弃的黄麻和棉绳废物转化为功能性碳骨架，并将其整合到MoS₂结构中，从而为双面DSSC应用开发一种经济高效、可行且可持续的Pt对电极替代方案。该研究建立了生物质来源的碳骨架与掺杂MoS₂之间的结构-性能关系，证明了其增强的催化、界面电荷转移和光伏性能，同时为废物利用提供了一条增值途径。

章节摘要

材料

聚乙二醇（PEG）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）购自Thermo Fisher Pvt Ltd公司。叔丁醇购自Loba Chemicals Pvt Ltd公司。壳聚糖和N-甲基吡咯烷酮购自Sisco Research Laboratories公司。四异丙氧基钛（TTIP）、磷酸和高氯酸锂购自Tokyo Chemical Industry Ltd.公司。乙基纤维素购自Ottokemi实验室化学品公司。乙腈、二水合钼酸钠（Sigma

结果与讨论

对于J9PMS和R9PMS的MoS?-碳复合材料，X射线衍射（XRD）和拉曼光谱共同揭示了两个组分之间结构与振动相互作用的清晰图像。XRD图谱通常显示出MoS?的典型六方相特征；同时，碳组分往往显示出宽峰，正如J9与R9、J9MS与R9MS以及J9PMS与R9PMS的XRD光谱中所见（见图2）。J9/R9在23.76°/23.48°和43.54°/43.2°处的峰值，

结论

总之，P掺杂的MoS₂成功接枝到N-P掺杂的碳化黄麻和棉绳表面，并将其用作DSSC的对电极，表现出对三碘离子还原的显著电化学活性。J9PMS和R9PMS的最高光电转换效率分别为7.36%和7.27%，这归功于J9PMS较低的电荷转移电阻（5.65 Ω）和R9PMS（5.46 Ω）。这一改进归因于P掺杂MoS₂整合到废物来源的J9和R9碳化碳骨架上。

未引用参考文献

[54]

CRediT作者贡献声明

Shanyukta Upadhyay：撰写——原始草稿、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念化。Manoj Balachandran：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

作者衷心感谢印度政府通过WISE-KIRAN PhD（DST/WISE-PhD/PM/2023/78）奖学金提供的财政支持，该奖学金对本工作的完成作出了重大贡献。作者还感谢基督大学中央仪器设施（CIF）提供的表征设施和技术支持。作者感谢DST-FIST（SR/FST/PS-I/2022/208（C）提供的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突

Shanyukta Upadhyay | Manoj Balachandran