Gema Mesoporosa de TiO2

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 14178 (2015) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Microesferas de TiO2 com casca de gema foram sintetizadas através de um método solvotérmico sem molde de um único recipiente, baseado na reação de condensação aldólica da acetilacetona. Esta estrutura única apresenta capacidade superior de dispersão de luz, resultando em eficiência de conversão de energia de até 11%. Este trabalho forneceu um novo sistema de síntese para microesferas de TiO2 sólidas a ocas e uma nova plataforma de material para células solares de alto desempenho.

Estrutura com espaço interior sempre pode agregar outras emoções e interesses, assim, objetos com capacidade de retenção chamam especialmente a atenção das pessoas. Para os nanomateriais, as micro/nanoestruturas ocas são igualmente fascinantes porque suas estruturas únicas lhes conferem propriedades excepcionais, como alta relação superfície-volume e efeito superior de dispersão de luz que os tornam promissores para aplicações que incluem baterias de íon de lítio 1,2,3,4 ,5, catálise6,7,8,9, sensores químicos10,11,12 e células solares13,14,15,16,17,18,19,20. Entre todos os materiais ocos relatados anteriormente, as microesferas ocas de TiO2 são de grande importância como fotoanodo em células solares sensibilizadas por corante (DSSCs) devido às suas características notáveis, por exemplo, alta área superficial para adsorção de corante, baixa densidade para difusão de eletrólitos e luz superior. efeito de espalhamento para captação de luz14,16,17,18,21. Até o momento, muitos esforços foram feitos para melhorar o desempenho de DSSCs usando materiais ocos de TiO como fotoanodo, por exemplo, esfera oca com relevo nano14, esferas ocas17, nanopartículas ocas porosas de múltiplas conchas18 e esferas ocas semelhantes a ouriços19. A eficiência de conversão de energia (PCE) relatada de DSSCs baseados em estrutura oca de TiO2 atingiu 10,34%14. No entanto, o PCE ainda está abaixo do que esperávamos. Portanto, é altamente desejável explorar novas estratégias para sintetizar materiais ocos de TiO2 para satisfazer os requisitos de melhor desempenho do DSSC.

Neste trabalho, demonstramos uma abordagem solvotérmica facial one-pot para a síntese de microesferas de TiO2 baseada na reação de condensação aldólica em acetilacetona para eliminar água na presença de complexos de Ti. Ao controlar o tempo de reação, foram obtidas esferas com morfologia ajustável, tamanho e estrutura interior ajustável, desde a estrutura sólida até a estrutura da casca da gema. Quando aplicadas como fotoânodo em DSSCs, as microesferas de casca de gema de TiO2 apresentam efeito de dispersão de luz superior e maior capacidade de adsorção de corante em comparação com a pasta comercial de nanopartículas Dyesol 18 nm, levando a um alto valor de PCE de até 11%. Até onde sabemos, este é o primeiro relatório baseado na reação de condensação da acetilacetona para sintetizar microesferas de TiO2 e 11% é ainda o valor mais alto de PCE empregando microesferas de TiO2 com casca de gema ou ocas como fotoânodo em DSSCs.

Microesferas de TiO2 com casca de gema foram sintetizadas usando um método solvotérmico de um único recipiente baseado na reação de condensação aldólica da acetilacetona (acac). As cetonas podem sofrer condensação aldólica e eliminar água na presença de complexos metálicos e são solventes promissores para preparar nanomateriais de TiO222,23. Considerando que, curiosamente, no nosso sistema de reação acac, a ciclização robinson também ocorre. A ocorrência de reações de condensação e ciclização aldólica foi comprovada por estudos ESI-MAS, 13CNMR e FTIR, evidenciados a partir da formação de produtos de condensação e ciclização e H2O (Fig. 1, Figura S1). Além disso, deve-se notar que a adição de álcool isopropílico é muito importante para a formação da estrutura da casca da gema do TiO2. Sem o álcool isopropílico, foram obtidas apenas esferas sólidas com diâmetro de 900 a 1200 nm (Figura S2).

Mecanismo de reação proposto.

Reação proposta que leva à formação de anatase em acetilacetona.

A Figura 2 mostra a morfologia única das microesferas de TiO2 com casca de gema obtidas, sintetizadas a 200 ° C por 6 h. A partir das imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) (Fig. 2), podemos ver que as microesferas de TiO2 estão bem dispersas com uma superfície rugosa e uma faixa de diâmetro de 1–1,4 μm. A imagem SEM de alta resolução na Fig. 2b mostra que as esferas têm estrutura de casca de gema e consistem em nanopartículas de TiO2. A imagem da microscopia eletrônica de transmissão (TEM) (Fig. 2c, d) exibe ainda a estrutura única de esfera em esfera com uma espessura de casca de ~ 80 nm. 2d, também pode ser observado que a esfera da casca da gema possui uma estrutura porosa e é composta por nanocristais de TiO com diâmetro médio de ~ 18 nm. A imagem TEM de alta resolução confirma a natureza altamente cristalina das esferas de casca de gema obtidas (Fig. 2e).