Мезопористый желток TiO2

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14178 (2015) Цитировать эту статью

5656 Доступов

87 цитат

Подробности о метриках

Микросферы TiO2 с желточной оболочкой были синтезированы однореакторным безтемплатным сольвотермическим методом, основанным на реакции альдольной конденсации ацетилацетона. Эта уникальная структура демонстрирует превосходную светорассеивающую способность, в результате чего эффективность преобразования энергии достигает 11%. Эта работа предоставила новую систему синтеза микросфер TiO2 от твердых до полых и новую материальную платформу для высокопроизводительных солнечных элементов.

Структура с внутренним пространством всегда могла добавить еще больше волнений и интересов, поэтому вместительные объекты особенно привлекают внимание людей. Что касается наноматериалов, полые микро/наноструктуры также интересны, поскольку их уникальная структура наделяет их выдающимися свойствами, такими как высокое соотношение поверхности к объему и превосходный эффект светорассеяния, что делает их перспективными для применения, включая литий-ионные батареи1,2,3,4 ,5, катализ6,7,8,9, химические датчики10,11,12 и солнечные элементы13,14,15,16,17,18,19,20. Среди всех ранее описанных полых материалов полые микросферы TiO2 имеют большое значение в качестве фотоанодов в сенсибилизированных красителем солнечных элементах (DSSC) из-за их заметных характеристик, например, большой площади поверхности для адсорбции красителя, низкой плотности для диффузии электролита и превосходного света. эффект рассеяния для сбора света14,16,17,18,21. До настоящего времени было предпринято много усилий для улучшения характеристик DSSC с использованием полых материалов TiO2 в качестве фотоанода, например, нанотисненой полой сферы14, полых сфер17, многооболочечных пористых полых наночастиц18 и полых сфер, похожих на ежа19. Сообщается, что эффективность преобразования энергии (PCE) DSSC на основе полой структуры TiO2 достигла 10,34%14. Тем не менее, PCE все еще ниже, чем мы ожидали. Поэтому крайне желательно изучение новых стратегий синтеза полых материалов TiO2 для удовлетворения требований повышения производительности DSSC.

В этой работе мы демонстрируем однореакторный сольвотермический подход к синтезу микросфер TiO2, основанный на реакции альдольной конденсации в ацетилацетоне для удаления воды в присутствии комплексов Ti. Контролируя время реакции, были получены сферы с регулируемой морфологией, размером и настраиваемой внутренней структурой от твердой до структуры скорлупы желтка. При применении в качестве фотоанода в DSSC микросферы TiO2 в скорлупе желтка демонстрируют превосходный светорассеивающий эффект и более высокую способность к адсорбции красителя по сравнению с коммерческой пастой наночастиц Dyesol с размером частиц 18 нм, что приводит к высокому значению PCE до 11%. Насколько нам известно, это первый отчет, основанный на реакции конденсации ацетилацетона для синтеза микросфер TiO2, и 11% пока что является самым высоким значением PCE при использовании микросфер TiO2 в форме желтка или полых микросфер в качестве фотоанода в DSSC.

Микросферы TiO2 с желточной оболочкой были синтезированы однореакторным сольвотермическим методом, основанным на реакции альдольной конденсации ацетилацетона (acac). Кетоны могут подвергаться альдольной конденсации и удалять воду в присутствии металлокомплексов и являются многообещающим растворителем для получения наноматериалов TiO222,23. Между тем, что интересно, в нашей реакционной системе acac также имеет место циклизация Робинзона. Наличие реакций альдольной конденсации и циклизации было доказано исследованиями ESI-MAS, 13CNMR и FTIR, о чем свидетельствует образование продуктов конденсации и циклизации и H2O (рис. 1, рисунок S1). Дополнительно следует отметить, что добавка изопропилового спирта очень важна для формирования структуры желтка TiO2. Без изопропилового спирта были получены только твердые сферы диаметром 900–1200 нм (рис. S2).

Предлагаемый механизм реакции.

Предлагаемая реакция, приводящая к образованию анатаза в ацетилацетоне.

На рисунке 2 показана уникальная морфология полученных микросфер TiO2 в желтковой оболочке, синтезированных при 200 °C в течение 6 часов. На изображениях сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (рис. 2) видно, что микросферы TiO2 хорошо диспергированы, имеют шероховатую поверхность и диапазон диаметров 1–1,4 мкм. СЭМ-изображение высокого разрешения на рис. 2б показывает, что сферы имеют структуру оболочки желтка и состоят из наночастиц TiO2. Изображение, полученное просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ) (рис. 2c, d), дополнительно демонстрирует уникальную структуру «сфера в сфере» с толщиной оболочки ~ 80 нм. Из рис. 2г также видно, что желточная сфера имеет пористую структуру и состоит из нанокристаллов TiO2 со средним диаметром ~18 нм. Изображение ПЭМ с высоким разрешением подтверждает высококристаллическую природу полученных сфер желтковой скорлупы (рис. 2e).