メソ多孔質 TiO2 卵黄

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14178 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

卵黄殻型 TiO2 ミクロスフェアは、アセチルアセトンのアルドール縮合反応に基づくワンポットテンプレートフリーのソルボサーマル法によって合成されました。 この独自の構造により優れた光散乱能力を発揮し、11%もの高い電力変換効率を実現します。 この研究により、固体から中空までの TiO2 微小球の新しい合成システムと、高性能太陽電池用の新しい材料プラットフォームが提供されました。

内部空間のある構造は常に別の興奮と興味を加えることができるため、収納力のあるオブジェクトは特に人々の注目を集めます。 ナノマテリアルの場合、中空のマイクロ/ナノ構造も同様に魅力的です。なぜなら、その独特な構造により、高い表面積対体積比や優れた光散乱効果などの優れた特性が得られ、リチウムイオン電池などの用途に有望となるからです1、2、3、4。 、5、触媒6、7、8、9、化学センサー10、11、12、太陽電池13、14、15、16、17、18、19、20。 これまでに報告されているすべての中空材料の中でも、TiO2 中空微小球は、色素を吸着するための高い表面積、電解質を拡散するための低密度、優れた光などの顕著な特性により、色素増感太陽電池 (DSSC) の光陽極として非常に重要です。集光のための散乱効果14,16,17,18,21。 現在までに、TiO2 中空材料、例えばナノエンボス中空球 14、中空球 17、マルチシェル多孔質中空ナノ粒子 18、ウニ状中空球 19 などを光アノードとして使用して DSSC の性能を向上させるために多くの努力がなされてきました。 TiO2 中空構造ベースの DSSC の電力変換効率 (PCE) は 10.34% に達すると報告されています14。 それにもかかわらず、PCE は依然として予想よりも低いです。 したがって、より優れた性能の DSSC の要件を満たすために、TiO2 中空材料を合成するための新しい戦略を模索することが非常に望ましいです。

この研究では、Ti 錯体の存在下で水を除去するための、アセチルアセトン中でのアルドール縮合反応に基づく TiO2 ミクロスフェア合成のためのフェイシャル ワンポット ソルボサーマル アプローチを実証します。 反応時間を制御することにより、形態、サイズ、および固体から卵黄殻構造まで調整可能な内部構造を備えた球体が得られました。 DSSC の光陽極として適用すると、TiO2 卵黄殻マイクロスフェアは、市販の Dyesol 18 nm ナノ粒子ペーストと比較して優れた光散乱効果と高い色素吸着能力を示し、最大 11% の高い PCE 値をもたらします。 私たちの知る限り、これは TiO2 微小球を合成するためのアセチルアセトン縮合反応に基づいた最初の報告書であり、11% という値は、DSSC の光陽極として卵黄殻または中空 TiO2 微小球を使用した場合の最高の PCE 値です。

卵黄殻 TiO2 ミクロスフェアは、アセチルアセトン (acac) のアルドール縮合反応に基づいたワンポットソルボサーマル法を使用して合成されました。 ケトンは金属錯体の存在下でアルドール縮合を起こして水を除去することができ、TiO2 ナノ材料を調製するための有望な溶媒です 22,23。 一方、興味深いことに、acac 反応系ではロビンソン環化も起こります。 アルドール縮合および環化反応の発生は、ESI-MAS、13CNMRおよびFTIR研究によって証明され、縮合および環化生成物およびH2Oの形成から証明されました（図1、図S1）。 さらに、イソプロピルアルコールの添加は、TiO2 卵黄殻構造の形成にとって非常に重要であることに留意すべきである。 イソプロピルアルコールを使用しないと、直径範囲 900 ～ 1200 nm の固体球のみが得られました (図 S2)。

提案された反応機構。

アセチルアセトン中でアナターゼの形成をもたらす提案された反応。

図 2 は、200 °C で 6 時間合成して得られた卵黄殻 TiO2 ミクロスフェアの独特の形態を示しています。 走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像 (図 2) から、TiO2 微小球が粗い表面と 1 ～ 1.4 μm の範囲の直径でよく分散していることがわかります。 図2bの高解像度SEM画像は、球体が卵黄殻構造であり、TiO2ナノ粒子で構成されていることを示しています。 透過型電子顕微鏡（TEM）（図2c、d）画像は、シェルの厚さが約80 nmのユニークな球内球構造をさらに示しています。 図2dから、卵黄殻球は多孔質構造を有し、平均直径が約18 nmのTiO2ナノ結晶で構成されていることもわかります。 高解像度のTEM画像は、得られたままの卵黄殻球の高い結晶性の性質を確認します（図2e）。