Jaune TiO2 mésoporeux

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 14178 (2015) Citer cet article

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Des microsphères de TiO2 à coquille de jaune ont été synthétisées via une méthode solvothermique sans modèle et en un seul pot, basée sur la réaction de condensation aldolique de l'acétylacétone. Cette structure unique présente une capacité supérieure de diffusion de la lumière, ce qui se traduit par une efficacité de conversion de puissance pouvant atteindre 11 %. Ces travaux ont fourni un nouveau système de synthèse pour les microsphères de TiO2, du solide au creux, ainsi qu'une nouvelle plate-forme matérielle pour les cellules solaires hautes performances.

Une structure avec un espace intérieur peut toujours ajouter d'autres excitations et intérêts, c'est pourquoi les objets ayant une capacité de rétention attirent particulièrement l'attention des gens. Pour les nanomatériaux, les micro/nanostructures creuses sont également fascinantes car leurs structures uniques leur confèrent des propriétés exceptionnelles, telles qu'un rapport surface/volume élevé et un effet de diffusion de la lumière supérieur, qui les rendent prometteuses pour des applications telles que les batteries lithium-ion1,2,3,4. ,5, catalyse6,7,8,9, capteurs chimiques10,11,12 et cellules solaires13,14,15,16,17,18,19,20. Parmi tous les matériaux creux précédemment rapportés, les microsphères creuses de TiO2 sont d'une grande importance en tant que photoanode dans les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC) en raison de leurs caractéristiques remarquables, par exemple une surface élevée pour l'adsorption du colorant, une faible densité pour la diffusion de l'électrolyte et une lumière supérieure. effet de diffusion pour la récolte de la lumière14,16,17,18,21. Jusqu'à présent, de nombreux efforts ont été déployés pour améliorer les performances des DSSC en utilisant des matériaux creux TiO2 comme photoanode, par exemple des sphères creuses nano-gaufrées 14, des sphères creuses 17, des nanoparticules creuses poreuses multi-coquilles 18 et des sphères creuses en forme d'oursin 19. L’efficacité de conversion de puissance (PCE) déclarée des DSSC à base de structure creuse en TiO2 a atteint 10,34 %14. Néanmoins, le PCE est toujours inférieur à ce que nous attendions. Par conséquent, il est hautement souhaitable d’explorer de nouvelles stratégies de synthèse de matériaux creux TiO2 afin de satisfaire aux exigences de meilleures performances DSSC.

Dans ce travail, nous démontrons une approche solvothermique faciale one-pot pour la synthèse de microsphères de TiO2 basée sur la réaction de condensation aldol dans l'acétylacétone pour éliminer l'eau en présence de complexes de Ti. En contrôlant le temps de réaction, des sphères avec une morphologie, une taille et une structure intérieure réglables, allant de la structure solide à la structure en forme de coquille de jaune, ont été obtenues. Lorsqu'elles sont appliquées comme photoanode dans les DSSC, les microsphères TiO2 à coquille de jaune présentent un effet de diffusion de la lumière supérieur et une capacité d'adsorption de colorant plus élevée par rapport à la pâte de nanoparticules Dyesol commerciale de 18 nm, conduisant à une valeur PCE élevée pouvant atteindre 11 %. À notre connaissance, il s'agit du premier rapport s'appuyant sur la réaction de condensation de l'acétylacétone pour synthétiser des microsphères de TiO2 et 11 % est encore la valeur PCE la plus élevée utilisant des microsphères de TiO2 à coquille de jaune ou creuses comme photoanode dans les DSSC.

Des microsphères de TiO2 à coquille de jaune ont été synthétisées à l'aide d'une méthode solvothermique en un seul pot s'appuyant sur la réaction de condensation aldolique de l'acétylacétone (acac). Les cétones peuvent subir une condensation aldolique et éliminer l'eau en présence de complexes métalliques et constituent un solvant prometteur pour préparer des nanomatériaux de TiO222,23. Alors que, fait intéressant, dans notre système de réaction acac, la cyclisation de Robinson a également lieu. L'apparition de réactions de condensation et de cyclisation d'aldol a été prouvée par des études ESI-MAS, 13CNMR et FTIR, mises en évidence par la formation de produits de condensation et de cyclisation et de H2O (Fig. 1, Figure S1). De plus, il convient de noter que l’ajout d’alcool isopropylique est très important pour la formation de la structure en coquille de jaune de TiO2. Sans alcool isopropylique, seules des sphères solides d'un diamètre compris entre 900 et 1 200 nm ont été obtenues (Figure S2).

Mécanisme de réaction proposé.

Réaction proposée conduisant à la formation d'anatase dans l'acétylacétone.

La figure 2 montre la morphologie unique des microsphères de TiO2 à coquille de jaune telles qu'obtenues, synthétisées à 200 ° C pendant 6 h. À partir des images de microscopie électronique à balayage (MEB) (Fig. 2), nous pouvons voir que les microsphères de TiO2 sont bien dispersées avec une surface rugueuse et une plage de diamètres de 1 à 1,4 μm. L'image SEM haute résolution de la figure 2b montre que les sphères ont une structure en coquille de jaune et sont constituées de nanoparticules de TiO2. L'image de microscopie électronique à transmission (TEM) (Fig. 2c, d) affiche en outre la structure unique sphère dans sphère avec une épaisseur de coque d'environ 80 nm. La figure 2d montre également que la sphère à coquille de jaune a une structure poreuse et est composée de nanocristaux de TiO2 d'un diamètre moyen d'environ 18 nm. L'image TEM à haute résolution confirme la nature hautement cristalline des sphères de coquille de jaune telles qu'obtenues (Fig. 2e).