Sensibilizante natural extraído de Mussaenda erythrophylla para corante

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13844 (2023) Citar este artigo

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Neste estudo, um corante natural das flores de Mussaenda erythrophylla extraído separadamente em etanol e água deionizada foi empregado como fotossensibilizador em DSSCs. As análises fitoquímicas quantitativas foram realizadas em ambos os extratos. A existência de flavonóides (antocianinas) e pigmentos de clorofila a no extrato etanólico do corante foi confirmada pela espectroscopia UV-Visível. O estudo de estabilidade realizado no referido extrato etanólico confirmou que o corante extraído em etanol era estável no escuro e não se degradou por quase 50 dias. A presença das moléculas de corante e sua adsorção uniforme na superfície do P25-TiO2 foram confirmadas por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier e microscopia de força atômica, respectivamente. Além disso, a influência da concentração do corante e do pH nas propriedades ópticas do corante também foi estudada. O corante natural extraído em etanol foi empregado em DSSCs, fabricados utilizando os referidos fotoanodos P25-TiO2 sensibilizados com corante, \({I}^{-}\)/\({I}_{3}^{-}\) eletrólito e contra-eletrodo de Pt. O desempenho fotovoltaico dos dispositivos fabricados foi determinado sob irradiação simulada com intensidade de 100 mWcm–2 utilizando filtro AM 1.5. O dispositivo fabricado com o fotoanodo P25-TiO2 sensibilizado pelo corante extraído em etanol em pH = 5 exibiu a melhor eficiência de conversão de energia (PCE) de 0,41% com o JSC de 0,98 mAcm–2 o que pode ser atribuído à ótima absorção de luz em a região visível do espectro solar pelas moléculas de clorofila a e antocianina no corante natural extraído.

As células solares sensibilizadas por corante (DSSC) ganharam atenção mundial por muitos anos devido ao baixo custo de produção e operação ecologicamente correta. O princípio de funcionamento do DSSC é semelhante ao da fotossíntese, um processo natural. Aqui, o dispositivo é capaz de gerar energia convertendo a luz solar absorvida em energia elétrica. Geralmente, um DSSC é composto por um semicondutor de óxido metálico mesoporoso, um sensibilizador de corante, um eletrólito contendo íons iodeto e triiodeto e um contra-eletrodo1. No DSSC, os sensibilizadores desempenham um papel fundamental na captação da luz solar e na sua posterior transformação em energia elétrica. Numerosos complexos metálicos e corantes orgânicos foram sintetizados e utilizados como sensibilizadores. No entanto, descobriu-se que os corantes orgânicos sintéticos à base de rutênio são sensibilizadores eficazes. De longe, a maior eficiência de mais de 11% foi relatada para DSSCs sensibilizados pelo corante N719 baseado em Ru2. No entanto, as rotas de preparação de complexos metálicos são frequentemente baseadas em procedimentos de múltiplas etapas que envolvem procedimentos de purificação cromatográfica tediosos e caros3. Prevê-se que a substituição de corantes orgânicos sintéticos por pigmentos naturais, como a clorofila e a antocianina, poderia resolver as limitações acima, uma vez que podem ser facilmente extraídos dos frutos, folhas, raízes e flores das plantas.

Geralmente, muitas das partes da planta contêm pigmentos de clorofila e antocianina. A clorofila é o pigmento mais abundante nas plantas verdes e cada molécula de clorofila possui um íon Mg2+ rodeado por quatro anéis pirrólicos, um dos quais está ligado a uma cauda de fitol4. As moléculas de clorofila são descritas como fotorreceptores devido à sua propriedade de absorção de luz. Existem dois tipos de clorofila, nomeadamente clorofila a e clorofila b, que diferem nas suas estruturas na posição C3 de um dos anéis de pirrol. A posição C3 do referido anel pirrol na clorofila b contém uma cadeia lateral formil (–CHO), enquanto um grupo metil (–CH3) está presente na mesma posição na clorofila a5. Devido à presença de diferentes substituintes, as moléculas de clorofila a e clorofila b exibem propriedades variadas de absorção de luz. Assim, a clorofila absorve luz numa ampla gama de comprimentos de onda correspondentes às regiões azul, vermelha e violeta do espectro visível6. A antocianina é outro pigmento responsável pela variedade de cores das pétalas de flores e frutos. O emprego de antocianina como corante para DSSC leva à absorção de luz na região azul-esverdeada do espectro solar7 e os grupos carbonila e hidroxila presentes nas moléculas de antocianina demonstram ancoragem eficiente à superfície de TiO2 (fotoeletrodo), permitindo assim um mecanismo eficaz de injeção de elétrons em DSSC8.