Tuorlo mesoporoso di TiO2

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14178 (2015) Citare questo articolo

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Le microsfere di TiO2 del guscio di tuorlo sono state sintetizzate tramite un metodo solvotermico one-pot senza templato basato sulla reazione di condensazione aldolica dell'acetilacetone. Questa struttura unica mostra una capacità superiore di diffusione della luce, con conseguente efficienza di conversione della potenza fino all'11%. Questo lavoro ha fornito un nuovo sistema di sintesi per microsfere di TiO2 da solide a cave e una nuova piattaforma di materiali per celle solari ad alte prestazioni.

Una struttura con uno spazio interno può sempre aggiungere altre emozioni e interessi, quindi gli oggetti con una capacità di contenimento attirano soprattutto l'attenzione delle persone. Per i nanomateriali, anche le micro/nanostrutture cave sono affascinanti perché le loro strutture uniche conferiscono loro proprietà eccezionali, come un elevato rapporto superficie-volume e un effetto di diffusione della luce superiore che le rendono promettenti per applicazioni tra cui le batterie agli ioni di litio1,2,3,4 ,5, catalisi6,7,8,9, sensori chimici10,11,12 e celle solari13,14,15,16,17,18,19,20. Tra tutti i materiali cavi precedentemente segnalati, le microsfere cave di TiO2 sono di grande importanza come fotoanodo nelle celle solari sensibilizzate con colorante (DSSC) a causa delle loro caratteristiche evidenti, ad esempio, elevata area superficiale per l'adsorbimento del colorante, bassa densità per la diffusione dell'elettrolita e luce superiore effetto di dispersione per la raccolta della luce14,16,17,18,21. Fino ad oggi, sono stati fatti molti sforzi per migliorare le prestazioni dei DSSC utilizzando materiali cavi di TiO2 come fotoanodo, ad esempio sfere cave nano-rilieve14, sfere cave17, nanoparticelle cave porose multi-guscio18 e sfere cave simili a ricci19. L'efficienza di conversione di potenza (PCE) riportata dei DSSC basati su struttura cava di TiO2 ha raggiunto il 10,34%14. Tuttavia, il PCE è ancora inferiore alle nostre aspettative. Pertanto, è altamente auspicabile esplorare nuove strategie per sintetizzare materiali cavi di TiO2 per soddisfare i requisiti di migliori prestazioni DSSC.

In questo lavoro, dimostriamo un approccio solvotermico facciale one-pot per la sintesi di microsfere di TiO2 basato sulla reazione di condensazione aldolica in acetilacetone per eliminare l'acqua in presenza di complessi di Ti. Controllando il tempo di reazione, sono state ottenute sfere con morfologia, dimensioni e struttura interna regolabili da solida a struttura a guscio d'uovo. Quando applicate come fotoanodo nei DSSC, le microsfere di guscio d'uovo di TiO2 mostrano un effetto di diffusione della luce superiore e una maggiore capacità di adsorbimento del colorante rispetto alla pasta commerciale di nanoparticelle Dyesol da 18 nm, portando a un valore PCE elevato fino all'11%. A nostra conoscenza, questo è il primo rapporto basato sulla reazione di condensazione dell'acetilacetone per la sintesi di microsfere di TiO2 e l'11% è ancora il valore PCE più alto che utilizza microsfere di TiO2 a guscio d'uovo o cave come fotoanodo nelle DSSC.

Le microsfere di TiO2 del guscio di tuorlo sono state sintetizzate utilizzando un metodo solvotermico one-pot basato sulla reazione di condensazione aldolica dell'acetilacetone (acac). I chetoni possono subire condensazione aldolica ed eliminare l'acqua in presenza di complessi metallici e sono promettenti solventi per preparare nanomateriali TiO222,23. Mentre, cosa interessante, nel nostro sistema di reazione acac avviene anche la ciclizzazione di Robinson. Il verificarsi di reazioni di condensazione e ciclizzazione aldolica è stato dimostrato dagli studi ESI-MAS, 13CNMR e FTIR, evidenziati dalla formazione di prodotti di condensazione e ciclizzazione e H2O (Fig. 1, Figura S1). Inoltre, va notato che l'aggiunta di alcol isopropilico è molto importante per la formazione della struttura del guscio del tuorlo di TiO2. Senza l'alcol isopropilico, sono state ottenute solo sfere solide con un diametro compreso tra 900 e 1200 nm (Figura S2).

Meccanismo di reazione proposto.

Reazione proposta che porta alla formazione di anatasio nell'acetilacetone.

La Figura 2 mostra la morfologia unica delle microsfere di TiO2 del guscio di tuorlo ottenute sintetizzate a 200 °C per 6 ore. Dalle immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) (Fig. 2), possiamo vedere che le microsfere di TiO2 sono ben disperse con una superficie ruvida e un diametro compreso tra 1 e 1,4 μm. L'immagine SEM ad alta risoluzione in Fig. 2b mostra che le sfere hanno una struttura a guscio d'uovo e sono costituite da nanoparticelle di TiO2. L'immagine al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) (Fig. 2c, d) mostra ulteriormente l'esclusiva struttura sfera nella sfera con uno spessore del guscio di ~ 80 nm. Dalla Fig. 2d si può anche vedere che la sfera del guscio di tuorlo ha una struttura porosa ed è composta da nanocristalli di TiO2 con un diametro medio di ~ 18 nm. L'immagine TEM ad alta risoluzione conferma l'elevata natura cristallina delle sfere di guscio di tuorlo ottenute (Fig. 2e).