Hur Graphene Quantum Dots Förbättrar Solenergi och Elektrokemiska Applikationer

Grafen kvantprickar (GQDs) är material som erbjuder lovande egenskaper för att förbättra effektiviteten i olika optiska och elektrokemiska system. I sin forskning har Li et al. använt lösningskemisk syntes för att skapa GQDs från dubbelväggiga kolnanorör (CNTs). Dessa GQDs, när de utsätts för UV-ljus, ger ifrån sig ett bländande blått ljus i klorobensen. De har visat sig ha en dramatisk påverkan på prestanda i bulk heterojunction polymer solceller (PSC), särskilt när de blandas med poly(3-hexylthiophene) (P3HT) och (6,6)-fenyl-C61 butyrisk syra metylester (PCBM). Genom att justera mängden PCBM i den aktiva lagret kan den totala verkningsgraden (PCE) höjas till 5,24%. Denna ternära P3HT:PCBM:GQD-baserade system erbjuder en ny metod för att effektivisera PSC:ers laddningsseparation och transport.

Vidare har det visat sig att GQDs syntetiserade via bottom-up metoder ger bättre resultat i solcellsapplikationer jämfört med de som skapats med top-down metoder. I exempelvis färgsensibiliserade solceller (DSSCs), ökade GQDs prestanda med 10%, vilket indikerar att den fotoluminescerande kvantavkastningen var över 70%. Förutom att förbättra UV-ljusupptaget, hjälper GQDs till att förhindra nedbrytning av de organiska färgerna som används i DSSC, vilket gör att solcellerna bibehåller en längre livslängd och effektivitet.

GQDs används också som motlektroder i DSSCs. Med en optimal mängd mycket små GQDs kan en porös orientering av hålig grafen uppnås, vilket ger en utmärkt elektrokatalytisk reduktion av jodidelektrolyter, relaterad till den aktiva ytan av GQDs. Det är viktigt att notera att den elektriska ledningsförmågan hos rena GQDs är nästan försumbar. Därför måste GQDs-hålig grafen-kompositen genomgå en termisk reduktionsprocess för att förbättra ledningsförmågan och den totala funktionaliteten hos elektroden.

För att ytterligare förbättra elektrokatalytiska applikationer används GQDs i superkondensatorer och batterier. Superkondensatorer är elektrokemiska kondensatorer som lagrar laddning via en dubbel-lager eller redoxreaktion för snabb uppladdning och urladdning. Den höga stabiliteten hos superkondensatorer gör dem attraktiva för många energitillämpningar, där små GQDs spelar en viktig roll i att förbättra uppladdnings- och urladdningscyklerna genom att tillhandahålla högaktiva kantställen för laddningslagring. Alkali-assisterad aktivering och termisk reduktion av GQDs ger bättre elektrisk ledningsförmåga och förbättrad elektrokatalytisk aktivitet, vilket gör dem mycket lämpliga för användning i elektrokemiska applikationer.

Vid tillverkning av elektroder för superkondensatorer och batterier fungerar GQDs effektivt i nätverkskompositmaterial, såsom grafen, aktivt kol och kolnanorör (CNTs), genom att förbättra ledningsförmågan och skapa starkare kopplingar på en mycket mindre skala. Dessa egenskaper gör att GQDs används för både elektrodaapplikationer och för solid-state elektrolyter, där den förbättrade jonledningsförmågan och jonbidragsförmågan ökar prestandan i både flytande och fasta tillstånd.

GQDs är också lovande för fotokatalytiska tillämpningar, som effektivt omvandlar solenergi till kemisk energi. TiO2 är ett vanligt fotokatalytiskt material för nedbrytning av organiska kontaminanter och vattenuppdelning, men dess bandgap på 3,2 eV innebär att det endast kan absorbera UV-ljus. Genom att kombinera TiO2 med GQDs kan fotokatalytisk aktivitet förbättras, särskilt under synligt ljus (>420 nm), vilket gör systemet mycket mer effektivt än ren TiO2. GQDs förbättrar också laddningsseparationen, vilket gör fotokatalysprocessen mer stabil och effektiv, särskilt i system där vatten delats för att producera väte.

Vilka är de senaste framstegen inom tvådimensionella halvledare för nästa generations termoelektriska material?

Tvådimensionella (2D) material har på senare år väckt stor uppmärksamhet för deras unika fysikaliska och kemiska egenskaper, vilket gör dem potentiellt användbara för många olika teknologiska tillämpningar. Inom termoelektriska (TE) materialforskning har 2D-material visat stor potential att revolutionera prestanda och effektivitet i energiomvandlingssystem. Dessa material kan effektivt omvandla värme till elektrisk energi, vilket gör dem centrala för utvecklingen av framtidens hållbara energisystem. Här diskuteras några av de mest lovande 2D-materialen och deras tillämpningar för TE-material, liksom deras begränsningar och framtida utvecklingsmöjligheter.

En av de mest undersökta 2D-materialen är grafen, som har utmärkt elektrisk ledningsförmåga och mekanisk hållfasthet. Det har också visat sig ha exceptionella termiska egenskaper, vilket gör det till ett av de mest lovande materialen för termoelektriska tillämpningar. Trots dessa fördelar är grafen i sig inte tillräckligt effektivt för att producera tillräckligt med termoelektrisk energi, eftersom det saknar en stor Seebeck-koefficient, vilket är en nyckelfaktor för termoelektriska effekter.

Övergångsmetall-dikalcogenider (TMDs), en annan kategori av 2D-material, har också visat sig vara lovande för termoelektriska tillämpningar. Dessa material, som exempelvis molybdendisulfid (MoS2) och tungstendisulfid (WS2), har mycket höga Seebeck-koefficienter och relativt bra elektrisk ledningsförmåga, vilket gör dem till starka kandidater för termoelektriska enheter. TMDs har dessutom en lagerstruktur som kan modifieras för att förbättra deras termoelektriska egenskaper genom doping eller lagerinducerade effekter.

MXener, en annan klass av 2D-material, har uppmärksammats för sina elektriska och termiska ledningsegenskaper samt sin stabilitet under extrema förhållanden. MXener är i själva verket en typ av 2D-metallkarbid eller -nitrid och har potential att tillämpas inom både energilagring och energiomvandling, inklusive termoelektriska enheter. Trots sina lovande egenskaper har MXener fortfarande vissa tekniska hinder, såsom deras synteskomplexitet och stabilitet i vissa miljöer, som behöver övervinnas innan de kan bli kommersiellt gångbara.

En annan lovande kandidat är silicene, ett 2D-material som är strukturellt likt grafen men består av kisel. Silicene har en rad egenskaper som kan förbättra termoelektriska effekter, särskilt när det kombineras med andra material för att skapa heterostrukturer. Silicenens halvledande egenskaper gör det också intressant för användning i termoelektriska tillämpningar, där det kan optimeras för att förbättra energiomvandlingen.

Trots de betydande framstegen inom 2D-material för termoelektriska tillämpningar kvarstår flera begränsningar. En av de största utmaningarna är att optimera materialens elektriska och termiska ledningsförmåga samtidigt som man behåller en hög Seebeck-koefficient. Detta kräver ofta finjusteringar av materialens strukturella egenskaper, doping eller användning av heterostrukturer. Dessutom måste man övervinna praktiska problem som relaterar till materialens tillverkning, stabilitet och integration i funktionella enheter.

För att förverkliga potentialen hos 2D-material i termoelektriska tillämpningar krävs det mer forskning för att förstå deras fysik på atomär nivå och för att utveckla effektiva metoder för deras syntes och bearbetning. Forskare arbetar också på att hitta sätt att förbättra 2D-materialens termiska stabilitet och elektriska ledningsförmåga genom nanostrukturering och genom att utnyttja de unika egenskaperna hos 2D-lagerstrukturer.

Framtidens termoelektriska enheter kommer sannolikt att dra nytta av dessa avancerade material för att skapa mer effektiva och hållbara energilösningar. I detta sammanhang kommer 2D-materialens roll att vara avgörande för att optimera energiomvandlingen och öppna upp nya möjligheter för både industriella och vardagliga tillämpningar.