메조다공성 TiO2 노른자

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14178(2015) 이 기사 인용

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노른자 껍질 TiO2 미소구체는 아세틸아세톤의 알돌 축합 반응을 기반으로 한 원팟 템플릿이 없는 용매열 방법을 통해 합성되었습니다. 이 독특한 구조는 우수한 광산란 능력을 보여 전력 변환 효율이 11%에 달합니다. 이 연구는 고체에서 중공까지의 TiO2 미소구체에 대한 새로운 합성 시스템과 고성능 태양전지를 위한 새로운 재료 플랫폼을 제공했습니다.

내부 공간을 갖춘 구조는 항상 또 다른 즐거움과 흥미를 더할 수 있으므로 특히 수납력이 있는 물건은 사람들의 관심을 끕니다. 나노물질의 경우 중공형 마이크로/나노구조는 독특한 구조로 인해 높은 표면적 대 부피 비율과 뛰어난 광산란 효과 등 리튬 이온 배터리를 포함한 응용 분야에 유망한 뛰어난 특성을 부여하기 때문에 매력적입니다1,2,3,4 ,5, 촉매 작용6,7,8,9, 화학 센서10,11,12 및 태양 전지13,14,15,16,17,18,19,20. 이전에 보고된 모든 중공 물질 중에서 TiO2 중공 미세구는 염료 흡착을 위한 높은 표면적, 전해질 확산을 위한 낮은 밀도 및 우수한 광과 같은 눈에 띄는 특성으로 인해 염료 감응형 태양 전지(DSSC)의 광양극으로 매우 중요합니다. 빛 수확을 위한 산란 효과14,16,17,18,21. 현재까지 TiO2 중공 물질을 광양극으로 사용하는 DSSC의 성능을 향상시키기 위해 많은 노력이 이루어졌습니다(예: 나노 엠보싱 중공 구14, 중공 구17, 다중 쉘 다공성 중공 나노입자18 및 성게 모양 중공 구19). TiO2 중공 구조 기반 DSSC의 보고된 전력 변환 효율(PCE)은 10.34%에 도달했습니다14. 그럼에도 불구하고 PCE는 여전히 예상보다 낮습니다. 따라서 더 나은 성능의 DSSC 요구 사항을 충족시키기 위해 TiO2 중공 재료를 합성하기 위한 새로운 전략을 모색하는 것이 매우 바람직합니다.

이 연구에서 우리는 Ti 복합체 존재 시 물을 제거하기 위한 아세틸아세톤의 알돌 축합 반응을 기반으로 TiO2 미소구체 합성을 위한 안면 단일 용기 용해열 접근법을 보여줍니다. 반응 시간을 제어함으로써 조정 가능한 형태, 크기 및 고체에서 노른자 껍질 구조까지 조정 가능한 내부 구조를 갖춘 구체가 얻어졌습니다. DSSC에서 광양극으로 적용할 때 TiO2 난황 껍질 미세구는 상업용 Dyesol 18 nm 나노 입자 페이스트에 비해 우수한 광 산란 효과와 더 높은 염료 흡착 능력을 보여 최대 11%의 높은 PCE 값을 나타냅니다. 우리가 아는 바로는, 이것은 TiO2 미소구체를 합성하기 위한 아세틸아세톤 축합 반응을 기반으로 한 최초의 보고서이며, 11%는 아직 DSSC의 광양극으로 난황 껍질 또는 속이 빈 TiO2 미소구체를 사용하는 가장 높은 PCE 값입니다.

노른자 껍질 TiO2 미소구체는 아세틸아세톤(acac)의 알돌 축합 반응을 기반으로 한 원팟 용매열 방법을 사용하여 합성되었습니다. 케톤은 알돌 축합을 겪을 수 있고 금속 복합체가 있는 경우 물을 제거할 수 있으며 TiO2 나노물질을 제조하는 데 유망한 용매입니다22,23. 반면에 흥미롭게도 acac 반응 시스템에서는 로빈슨 고리화도 발생합니다. 알돌 축합 및 고리화 반응의 발생은 ESI-MAS, 13CNMR 및 FTIR 연구에 의해 입증되었으며 축합 및 고리화 생성물과 H2O의 형성으로 입증되었습니다(그림 1, 그림 S1). 추가적으로, 이소프로필 알코올의 첨가는 TiO2 난황-껍질 구조의 형성에 매우 중요하다는 점에 유의해야 합니다. 이소프로필 알코올이 없으면 직경 범위가 900-1200 nm인 고체 구체만 얻어졌습니다(그림 S2).

제안된 반응 메커니즘.

아세틸아세톤에서 아나타제 형성을 유도하는 제안된 반응.

그림 2는 200°C에서 6시간 동안 합성된 난황 껍질 TiO2 미세구의 독특한 형태를 보여줍니다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미지(그림 2)에서 TiO2 미세구가 거친 표면과 1~1.4μm의 직경 범위로 잘 분산되어 있음을 알 수 있습니다. 그림 2b의 고해상도 SEM 이미지는 구형이 난황 껍질 구조이고 TiO2 나노 입자로 구성되어 있음을 보여줍니다. 투과 전자 현미경 (TEM) (그림 2c, d) 이미지는 쉘 두께가 ~ 80 nm 인 독특한 구 내 구 구조를 추가로 표시합니다. 그림 2d에서 난황 껍질 구체는 다공성 구조를 가지며 평균 직경이 ~18 nm인 TiO2 나노 결정으로 구성되어 있음을 알 수 있습니다. 고해상도 TEM 이미지는 얻은 난황 껍질 구체의 높은 결정질 특성을 확인합니다 (그림 2e).