介孔单晶二氧化钛的晶面调控及其电子传输的研究

Mesoporous single-crystalline TiO2 nanoparticles (MSCT) are a unique family of functional materials exhibiting high performance in a variety of energy and environmental applications, owing to their well-defined accessible mesoporosity and highly single-crystalline structure. Precisely tailoring the structures of colloidal at the nanoscale, however, is currently an unresolved scientific/technical challenge. In this proposal, we introduce a simple yet generic approach to synthesize MSCT with distinctive features including controllable particle sizes and morphologies by using no-surfactant micelle as the template. Furthermore, well defined mesoporosity, tunable exposed crystal facets, and size can be controlled. Highly compatible colloidal MSCT were further used as photoanodes in the Co2+/3+-based dye-sensitized solar cells. The conversion efficiency is investigated in details by comparing different morphologies and structures of TiO2. Recombination of electrons from TiO2 with the oxidized Co3+ species and mass transport in the electrolyte are expected to be resolved by exploring the relationships between the material structure, device structure and device performance. The conversion efficiency will be further improved and the replacement of I3-/I- electrolyte with Co2+/3+ in dye-sensitized solar cells will become possible.

介孔单晶二氧化钛由于其可调控利用的孔道和高度晶化的独特结构而被广泛应用于能源和环境等领域。然而，合成纳米尺度、形貌及晶面可控的此材料在科学理论和实验技术方面都是极大的挑战。本项目提出一种简单而普适的合成方法，以非表面活性剂分子的聚集体为模板，获得一系列不同形貌、结构和尺寸的介孔单晶TiO2，并以此控制单晶介孔内表面的微观结构（包括形状、大小、晶面等）。同时制备以此作为光阳极材料的薄膜，构筑钴基（Co(2+/3+)）电解质染料敏化太阳能电池。系统地研究介孔单晶TiO2的形貌和结构对光电转化效率的影响，分析不同孔径和晶面的电子传输和复合过程，探索材料结构、器件结构与电池性能三者间的关系，解决Co(2+/3+)基电解质太阳能电池中电子在TiO2和氧化态Co3+之间的快速复合问题，进一步提高光电转换效率，同时使得Co(2+/3+)基电解质取代自身有毒和挥发性极强的I3-/I-电解质成为可能。

1）介孔单晶由于其丰富均匀的多孔性且高度介晶的单晶性质，在各种应用中表现出优异的性能，是一类独特的功能材料。我们报告了一种简单且通用的合成方法，合成了一系列形貌、尺寸、晶面可控的介孔单晶TiO2材料。其中椭球形介孔单晶TiO2纳米颗粒具有高分散性/亲水性、良好的介孔结构和单晶性质等特点。特别是椭球形介孔单晶TiO2纳米颗粒的短轴通过加水可以缩短，颗粒大小可以通过所用水的体积进一步调节。不同粒径的二氧化钛纳米颗粒在水催化制氢中具有良好的光催化活性。在300W Xe 灯照射下, 椭球形介孔单晶TiO2粒子光催化剂可以产生 8.26 mol H2 h-1 g-1,明显高于商业P25纳米粒子（4.02mol H2 h-1 g-1）。.2）过渡金属氧化物纳米材料（TMD）对于电化学能量转换和储存至关重要。我们通过简单的一步水热策略合成了一种新型的空心二氧化钛微球（TiO2（H））。TiO2（H）拥有400nm的空腔结构、10nm颗粒组成壳层结构、以及高达145m2 g-1的比表面积。新的合成方法避免了传统碱性物质蚀刻和高温退火工艺中的环境污染、高能耗问题。 同时，我们证明了所获得的TiO2（H）作为锂离子电池阳极材料的电化学储能性能，实现了在100C的高充/放电倍率下103mAh g-1的高比容量；在10C条件下，经过2000次循环后比容量保持高达153mAh g-1。