Stabilizing molecular sensitizers in aqueous environs

Stabilizing molecular sensitizers in aqueous environs

Author's Accepted Manuscript Stabilizing Molecular Sensitizers in Aqueous Environs Mark D. Losego, Kenneth Hanson www.elsevier.com/nanoenergy PII: ...

1MB Sizes 2 Downloads 31 Views

Author's Accepted Manuscript

Stabilizing Molecular Sensitizers in Aqueous Environs Mark D. Losego, Kenneth Hanson

www.elsevier.com/nanoenergy

PII: DOI: Reference:

S2211-2855(13)00133-X http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2013.07.007 NANOEN257

To appear in:

Nano Energy

Received date: 1 July 2013 Accepted date: 17 July 2013 Cite this article as: Mark D. Losego, Kenneth Hanson, Stabilizing Molecular Sensitizers in Aqueous Environs, Nano Energy, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2013.07.007 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting galley proof before it is published in its final citable form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Stabilizing Molecular Sensitizers in Aqueous Environs    Mark D. Losego1 and Kenneth Hanson2    1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, North Carolina State University, 

Raleigh, NC USA  2Department of Chemistry and Biochemistry, Florida State University, Tallahassee, FL USA    The recent transition of dye‐sensitized solar cells (DSCs) from the lab to small‐scale  production  validates  the  commercial  viability  of  energy  technologies  that  combine  molecular  functionality  with  nanomaterials.  Commercialization  of  DSC  technology  is  the  result  of  advances  in  both  device  performance  and  lifetime.1  While  academic  researchers  often  focus  on  the  former  (performance),  the  latter  (lifetime)  is  essential  for  commercial  success.  Increasing  the  lifetime  of  molecularly  sensitized  devices  in  either  humid  or  aqueous  environments  will  reduce  device  costs  and  enable  a  range  of  new  device  opportunities.   Dye‐sensitized devices are typically composed of molecular sensitizers attached to  conductive, nanostructured inorganic scaffolds as depicted in Fig. 1a.  Light absorption by  the  molecular  sensitizer  results  in  an  excited  state  of  sufficient  energy  to  transfer  an  electron  to  the  inorganic  scaffold.    In  DSCs,  this  electron  transfer  process  generates  electricity.  However, similar molecularly sensitized schemes are being developed for other  applications, including hydrogen fuel generation (i.e., solar water splitting),2 photocatalytic  water purification,3 and CO2 reduction to hydrocarbon fuels.4  While numerous researchers  actively  investigate  the  electron  transfer  processes  and  catalytic  mechanisms  of  these  molecular  sensitizers,  little  attention  is  being  given  to  the  critical  challenge  of  extending  device  lifetime  by  maintaining  attachment  of  the  molecular  sensitizer  to  the  inorganic 

scaffold.  Without  a  robust  organic‐inorganic  linkage,  these  devices  are  useless  from  a  practical standpoint.    In the presence of water, the attachment groups used for most molecular sensitizers  (e.g.,  ‐COOH,  ‐PO3H  )  are  susceptible  to  hydrolytic  attack,  resulting  in  bond  breakage  between  molecule  and  inorganic  scaffold  (Fig.  1b).    Long‐term  stability  in  DSCs  has  been  possible  because  they  operate  with  non‐aqueous  electrolytes  and  module  encapsulation  has  been  extensively  engineered  to  prevent  water  permeation.    For  emerging  energy  applications  where  water  is  a  necessary  reactant  (e.g.,  hydrogen  fuel  production)  or  ambient  conditions  are  preferred  (e.g.,  CO2  reduction),  this  challenge  of  molecular  attachment in the presence of water can no longer be avoided.  External  stimuli  including  pH,  illumination,  and  electrical  current  can  further  destabilize molecular attachment.  Recently, we published a standard protocol to evaluate  the  role  of  environmental  effects  on  the  stability  of  surface  bound  molecules  under  continuous  illumination.5  We  show  that  photodesorption of the phosphonate bound molecule is strongly pH dependent with desorption rates increasing by a factor 5 when the pH is increased from 1 to 5. Several  approaches  have  been  explored  to  improve  aqueous  stability  including  stronger  surface  binding  groups,6  electropolymerizized  overlayers,7  and  amphiphilic  structuring.8  Unfortunately,  these  strategies  have  had  limited  success  and/or  require  complex  organic  syntheses  that  hurt  economic  viability.9  Within  the  last  year,  we  have  demonstrated  that  atomic  layer  deposition  (ALD)  could  be  used  to  coat  surface  bound  molecules  and  prevent  their  detachment  from  the  surface.10  ALD  is  a  vapor  phase  deposition  process  that  proceeds  through  a  binary  sequence  of  self‐limiting  surface 

reactions and permits conformal, subnanometer precision of inorganic material deposition  over three‐dimensional nano‐scale architectures. The ALD layers, which are < 1 nm thick,  presumably  protect  the  bond  that  links  the  molecule  to  the  inorganic  scaffold  from  hydrolytic attack as depicted in Fig. 1c.   The observed improvements in stability are even  maintained  when  the  systems  are  stressed  with  high  pH,  illumination,  and/or  electrical  current flow. From these preliminary experiments we have demonstrated a 1 to 2 order of  magnitude  increase  in  molecular  attachment  lifetimes  under  simulated  operating  conditions. We believe that these ALD treatments represent a new technological platform  for stabilizing molecular sensitizer intended for aqueous environs. An order of magnitude  increase in DSC device lifetime could have major implications for economic viability.  It has  been estimated that the energy cost of an organic photovoltaic could be reduced by ~30%  if the device lifetime is doubled from 10 years to 20 years (assuming 15 % efficiency).11  Our preliminary investigations suggest that this technique can be applied to a wide  variety of molecular dyes and catalysts.  The ALD process is sufficiently mature that nearly  any  elemental  oxide  layer  could  be  used  for  protection,  necessitating  a  much  broader  examination of the potential materials sets for optimal device performance.  In particular,  considerable  fundamental  research  is  still  needed  to  fully  understand  how  these  ALD  treatments  affect  electron  transfer  events  and  electronic  band  structure  at  the  organic‐ inorganic interface.    Ultimately,  extensive  interdisciplinary  collaboration  will  be  required  to  transition  this  technology  from  the  lab  bench  to  the  commercial  market.  Our  new  ALD  protection  platform directly emerged from a multidisciplinary collaborative research effort supported  by  the  Research  Triangle  Solar  Fuels  Institute  in  North  Carolina  (www.solarfuels.org).  

Interactions  between  synthetic  chemists,  spectroscopists,  materials  scientists,  physicists,  and  engineers  will  be  necessary  to  ultimately  achieve  the  level  of  fundamental  understanding  to  rationally  design  ALD  protecting  layers  that  optimize  the  stability  and  performance  of  molecularly  sensitized  devices  for  use  in  aqueous  solutions  or  humid  ambient conditions.   

  Fig. 1: (a) Scheme for a dye‐sensitized device architecture showing the photoexcitation and  electron transfer events. (b) Current molecular sensitizer technology exposed to aqueous  conditions and other external stimuli cause detachment of the molecules from the surface.  (c) New work in ALD deposition shows promise in preventing molecular detachment under  similar aqueous conditions.      Email addresses: [email protected] (M. Losego); [email protected] (K. Hanson) 

 

  Mark D. Losego is an n Assistant Research Professor of Chemical an nd Biomolecular  h.D. in materials science  Engineerring at Nortth Carolina SState University.  He eaarned his Ph and engiineering at N North Carollina State Un niversity in 2008 and cconducted p postdoctoral  research h in nano‐sccale heat traansport at th he Universitty of Illinoiss until 2011.  Losego’s  research h focuses on n understanding transp port phenom mena at orgaanic / inorgganic interfaaces  and with hin three‐dimensionally y nanostrucctured systeems used in energy and d environmeental  applicatiions.   

  Kenneth h  Hanson  is  an  assiistant  Proffessor  in  the  Department  of  Chemistry  and  Biochem mistry at Flo orida State U University. H He earned aa B.S. in cheemistry from m St. Cloud  State  Universiity  in  2005 5  and,  undeer  the  direection  of  Mark  M E.  Tho ompson,  a  Ph.D.  from m  the 

University  of  Southern  California  in  2010.  While  a  post‐doctoral  researcher  in  the  lab  of  Thomas  J.  Meyer  at  the  University  of  North  Carolina  at  Chapel  Hill  (2010‐2013),  he  investigated the photophysical properties of molecules on metal oxide surfaces. His current  research  focuses  on  understanding  the  structure‐property  relationship  of  molecular  light  absorbers/emitters in dye‐sensitized solar cells and other applications.     

 

References 

  1. Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L. C.; Kloo, L.; Pettersson, H., "Dye‐Sensitized Solar Cells."  Chem. Rev. 110 6595‐6663 (2010).  2. Alibabaei, L.; Luo, H. L.; House, R. L.; Hoertz, P. G.; Lopez, R.; Meyer, T. J., "Applications of  metal oxide materials in dye sensitized photoelectrosynthesis cells for making solar fuels:  let the molecules do the work." J Mater Chem A 1 4133‐4145 (2013).  3. Zhang, F. L.; Zhao, J. C.; Zang, L.; Shen, T.; Hidaka, H.; Pelizzetti, E.; Serpone, N.,  "Photoassisted degradation of dye pollutants in aqueous TiO2 dispersions under  irradiation by visible light." J Mol Catal a­Chem 120 173‐178 (1997).  4. Chen, Z. F.; Chen, C. C.; Weinberg, D. R.; Kang, P.; Concepcion, J. J.; Harrison, D. P.;  Brookhart, M. S.; Meyer, T. J., "Electrocatalytic reduction of CO2 to CO by polypyridyl  ruthenium complexes." Chem. Commun. 47 12607‐12609 (2011).  5. Hanson, K.; Brennaman, M. K.; Luo, H. L.; Glasson, C. R. K.; Concepcion, J. J.; Song, W. J.;  Meyer, T. J., "Photostability of Phosphonate‐Derivatized, Ru‐II Polypyridyl Complexes on  Metal Oxide Surfaces." Acs Applied Materials & Interfaces 4 1462‐1469 (2012).  6. Szpakolski, K.; Latham, K.; Rix, C.; Rani, R. A.; Kalantar‐zadeh, K., "Silane: A new linker for  chromophores in dye‐sensitised solar cells." Polyhedron 52 719‐732 (2013).  7. Moss, J. A.; Stipkala, J. M.; Yang, J. C.; Bignozzi, C. A.; Meyer, G. J.; Meyer, T. J.; Wen, X. G.;  Linton, R. W., "Sensitization of nanocrystalline TiO2 by electropolymerized thin films."  Chem. Mater. 10 1748‐+ (1998).  8. Zakeeruddin, S. M.; Nazeeruddin, M. K.; Humphry‐Baker, R.; Péchy, P.; Quagliotto, P.;  Barolo, C.; Viscardi, G.; Grätzel, M., "Design, Synthesis, and Application of Amphiphilic  Ruthenium Polypyridyl Photosensitizers in Solar Cells Based on Nanocrystalline TiO2  Films." Langmuir 18 952‐954 (2002).  9. Osedach, T. P.; Andrew, T. L.; Bulovic, V., "Effect of synthetic accessibility on the  commercial viability of organic photovoltaics." Energy & Environmental Science 6 711‐718  (2013).  10. Hanson, K.; Losego, M. D.; Kalanyan, B.; Ashford, D. L.; Parsons, G. N.; Meyer, T. J.,  "Stabilization of [Ru(bpy)(2)(4,4 '‐(PO3H2)bpy)](2+) on Mesoporous TiO2 with Atomic  Layer Deposition of Al2O3." Chem. Mater. 25 3‐5 (2013).  11. Kalowekamo, J.; Baker, E., "Estimating the manufacturing cost of purely organic solar  cells." Sol Energy 83 1224‐1231 (2009).       

 

Graphical Abstract   

          Highlights    • Research into molecularly sensitized energy systems is disproportionately weighted  towards optimizing device performance compared to lifetime.  •  Extending the lifetime of these systems in aqueous or humid environments could  reduce costs and enable new devices.  • A new atomic layer deposition treatment shows great promise for extending the  lifetime of molecular attachment to inorganic surfaces under aqueous conditions.