Биоинспирированные «клетки-ловушки» для закрытых

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4730 (2023) Цитировать эту статью

2714 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в области перовскитных солнечных элементов, серьезная обеспокоенность по поводу потенциального риска загрязнения свинцом и риска экологической уязвимости, связанного с перовскитными солнечными элементами, создает серьезное препятствие для их реальной коммерциализации. В этом исследовании мы черпали вдохновение из поведения пауков-ловушек и химических компонентов паутины, чтобы стратегически имплантировать многофункциональную мезопористую амино-привитую углеродную сеть в перовскитные солнечные элементы, создав биомиметические клетки-ловушки, которые могли бы эффективно уменьшать утечку Pb и защищать внешнее вторжение в экстремальных погодных условиях. Подробно изучен синергетический механизм улавливания Pb с точки зрения химического хелатирования и физической адсорбции. Кроме того, предлагается оценка загрязнения свинцом перовскитных солнечных элементов с истекшим сроком эксплуатации в реальной экосистеме, включая воду и почву реки Хуанхэ. Также успешно внедрен устойчивый замкнутый процесс обращения с Pb, включающий четыре важнейших этапа: осаждение Pb, адсорбция Pb, десорбция Pb и рециркуляция Pb. Наши результаты дают вдохновляющую информацию для содействия экологически чистой и устойчивой индустриализации перовскитных солнечных элементов.

В условиях усиливающегося глобального энергетического кризиса перовскитные солнечные элементы (PSC) стали многообещающей технологией возобновляемых источников энергии для сокращения выбросов углекислого газа во всем мире. PSC обеспечивают превосходную совместимость и масштабируемость производства, что позволяет им совершить революцию на рынке фотоэлектрических систем. Однако еще предстоит решить серьезные проблемы, прежде чем их можно будет применять на практике. Летучие органические катионы (такие как CH3NH3+ или HNCH(NH3)+) и свойства мягкой решетки PSC являются источниками внутренней нестабильности, что приводит к снижению эффективности устройства и проблемам долгосрочной эксплуатационной стабильности1,2,3. Примечательно, что разложение перовскитных пленок может приводить к образованию токсичных соединений на основе Pb, включая PbI2, Pb или PbO, при воздействии внешних раздражителей, таких как влага, освещение и тепло. Эти соединения потенциально могут проникнуть в экосистему, вызывая обеспокоенность по поводу экологической устойчивости4,5.

Недавние усилия были сосредоточены на инкапсулировании PSC для уменьшения утечки Pb. Герметизирующие материалы, такие как полиуретан, полиизобутилен, графен и Al2O3, наносились с использованием метода физического горячего прессования или осаждения атомного слоя6,7,8,9. Однако эти герметизирующие слои не могут предотвратить диффузию компонентов Pb, если устройство выйдет из строя под действием внешнего напряжения из-за ограниченной способности улавливать Pb. При этом сложный процесс приготовления также увеличивает производственные затраты. Были предложены стратегии химической адсорбции с использованием функциональных химических материалов для внешней адсорбции с целью минимизации утечки Pb. Большинство опубликованных работ посвящено разработке полупрозрачного адсорбента Pb, который можно устанавливать на светопринимающей стороне PSC. Высокая оптическая прозрачность необходима, чтобы избежать снижения фотоэлектрических характеристик, ограничивающего толщину полупрозрачного адсорбента Pb и ухудшающего адсорбционную способность Pb и сопротивление окружающей среде. На практике вытекший компонент Pb имеет тенденцию стекать к задней стороне устройства под действием силы тяжести, а соответствующие материалы или стратегии остаются ограниченными. Ли и др. интегрировали в PSC10 полимерную смесь на основе катионообменной смолы (CER) и ультрафиолетовой (УФ) смолы. Компонент Pb адсорбировался посредством быстрой катионообменной реакции между обильными группами сульфоновой кислоты (SO3-) и Pb2+, достигая 90% эффективности связывания Pb. Тем не менее, потенциальный риск вторичного загрязнения опасными твердыми отходами ССВ стал экологической проблемой. Кроме того, сохраняются опасения по поводу устойчивых стратегий утилизации перовскитных фотоэлектрических модулей с истекшим сроком эксплуатации из-за потенциальной угрозы токсичных ионов Pb для экосистемы и безопасности здоровья человека11,12,13,14. Эти недостатки могут серьезно затруднить коммерческое применение PSC.