Tailoring the Porosity of Metal-Organic Framework-Derived N-doped Carbon Electrocatalysts for High-Performance Dye-Sensitized Solar Cells

Abstract

Metal-organic framework (MOF)-derived carbon materials have been widely used as catalysts for a variety of electrochemical energy applications, and thermally carbonized zinc-2-methylimidazole (ZIF-8) has shown particularly high performance owing to its microporous structure with a large surface area. However, in the presence of bulky chemical species, such as triiodide in mesoscopic dye-sensitized solar cells (DSCs), the small pore size of carbonized ZIF-8 causes a significant limitation in mass transfer and consequentially results in a poor performance. In this research, a simple strategy to resolve the issue is introduced, in which the pore sizes of ZIF-8-derived carbon are enlarged by increasing the dwelling time of Zn in ZIF-8 during the thermal carbonization process. A thin and uniform polydopamine shell introduced on the surface of ZIF-8, with the aim of retarding the escape of vaporized Zn species, leads to a dramatic increase in pore sizes, from the micropore to mesopore range. The porosity-tailored carbonized ZIF-8 manifests an excellent electrocatalytic performance in triiodide reduction, and when it is applied as the counter electrode of DSCs, an energy conversion efficiency of up to 9.03% is achievable, which is not only superior to that of the Pt-based counterpart but also among the highest performances of DSCs employing carbonaceous electrocatalysts.

금속유기구조체-유래 탄소 물질은 다양한 전기화학 에너지 응용을 위한 촉매로 널리 사용되어 왔으며, 열 탄화 아연-2-메틸이미다졸 (ZIF-8) 은 넓은 표면적의 미세 다공성 구조로 인해 특히 높은 성능을 보여왔다. 그러나, 메조스코픽 염료감응태양전지의 트리요오드화물과 같이 부피가 큰 화학 종이 있을 때, 탄화 ZIF-8 의 작은 기공 크기는 물질 전달에 상당한 제한을 야기하며 결과적으로 저조한 성능의 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 이 연구에서는 열 탄화 과정에서 아연의 ZIF-8 속 체류 시간을 늘림으로써 ZIF-8-유래 탄소의 기공 크기를 확대하는 간단한 전략을 소개한다. 기화된 아연 종들이 빠져나가는 것을 지연시킬 목적으로 ZIF-8 의 표면에 도입된 얇고 균일한 폴리도파민 껍질은, 기공 크기를 미세공극에서 중기공극 범위로 극적으로 증가시켰다. 기공성-맞춤형 탄화 ZIF-8 은 트리요오드화물 환원 반응에서 훌륭한 전기촉매적 성능을 자랑하였고, 염료감응전지상대 전극에 적용되었 때 9.03 % 에 이르는 에너지 전환 효율을 달성할 수 있었다. 이는 백금 기반의 대조군에 비해 우수할 뿐만 아니라, 탄소 계 전기 촉매를 사용하는 염료감응태양전지로부터 얻어진 최고 성능들 중 하나이다.