复旦赵东元院士"新型介孔半导体单晶材料合成"课题

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半导体单晶材料一直是业界争相研发的方向所在，最近，复旦大学先进材料实验室、化学系赵东元院士课题组提出了一种新颖的同时调控介孔孔道和晶粒取向的方法—溶剂挥发诱导取向自组装方法(evaporation-drivenoriented assembly method)，成功合成了均匀的介孔半导体氧化钛微球，实现对半导体孔道及其晶面的双重择优取向。5月8日，相关研究成果(“Radially oriented mesoporous TiO2 microspheres with single-crystal-likeanatase walls for high-efficiency optoelectronic devices”)发表在国际顶级学术刊物《ScienceAdvances》(科学进展)上。该杂志是Science刊物唯一的子刊，是一个涵盖所有学术领域(包括计算机、工程、环境、生命、数学、物理以及社会科学等)的开放性、综合性科学刊物，旨在提供一个顶级的科学研究出版平台，快速发表在整个科学研究领域中具有突破性进展的研究工作。这是我国科技工作者首次在《ScienceAdvances》上发表材料相关学术论文，也是我校首次在Science子刊上发表学术论文。复旦大学先进材料实验室2011级博士生刘勇为该论文第一作者，赵东元院士是文章的通讯作者。同时，Science刊物在首页的“ThisWeek in Science”栏目以“Oriented mesostructure for energy conversion”为题，对该论文进行了亮点报道。
　　介孔半导体材料由于具有大的比表面、丰富的孔道结构以及晶化的开放骨架结构，在吸附分离、催化、药物负载与传输、能源储存以及光电转换等领域中具有广泛的应用前景。然而目前所报道的介孔半导体的孔道以及晶体取向在微观尺度内都是无序排列的，大大影响了反应物客体与产物分子在半导体孔道内的有效传输与反应。实现简单有效地对介孔半导体材料的孔道以及晶体取向的双向调控是国际相关领域公认的难题，面临的巨大挑战。赵东元院士领导的科研团队巧妙地利用有机体相内挥发的界面驱动力，便可以有效实现对介孔半导体孔道和晶粒取向的双向微观调控。

　　他们以商品化的Pluronic嵌段共聚物为模板剂，常用的钛酸正丁酯为无机钛源，四氢呋喃为有机溶剂，在酸性条件下采用分步梯度挥发有机溶剂的方法，来制备具有发散型介孔氧化钛单晶材料。他们首先在低温下(40C)选择性挥发四氢呋喃溶剂，实现嵌段共聚物与钛源自组装，形成球形胶束紧密堆积的有序介观结构。同时，由于界面张力的作用，这些由球形胶束堆积的介观结构会进一步团聚长大，形成介孔氧化钛微球。最后在较高温度(80C)条件下再次挥发有机溶剂，残留在介孔微球中心的有机溶剂会进一步沿着三维发散的方向挥发，其界面驱动力会使氧化钛球形胶束融合，成为垂直中心发散的棒状胶束。同时，TiO2纳米晶做为结构单元，也受有机溶剂挥发的驱动力，也沿着中心发散的方向，在棒状胶束的周围取向排列，可得到具有发散型介孔孔道结构的锐钛矿单晶取向的介孔氧化钛微球。采用这种新颖的梯度挥发诱导取向自组装方法合成出的介孔TiO2球十分均匀，粒径可在80~800nm范围调变。此外这些微球还具有大的孔径(5 ~ 20 nm)、高的比表面积(~ 120m2/g)，孔壁是由锐钛矿结构TiO2单晶组成的。锐钛矿单晶半导体结构、开放、通透的放射状孔道结构赋予了介孔TiO2微球优异的光电转换性能，其在染料敏化太阳能电池中显示出了高达12.1%的光电转换效率。该研究对介孔半导体材料的孔道、晶粒的取向以及宏观形貌的有效调控提供一个简单、易操作、普适的方法，为有序介孔单晶体的合成提供了理论基础，在开发新能源高效转化与储存功能材料、介孔半导体晶体材料和器件应用具有及其重要的科学意义。
　　采用分步溶剂挥发诱导取向自组装方法合成具有开放孔道结构的介孔TiO2微球合成过程及扫描电镜、透射电镜图片。

　　赵东元院士、博士生刘勇以及论文的合作者之一卡塔尔大学Ahamed A. Elzatahry 博士一起对论文做最后的修改讨论。