成果報告書詳細
管理番号20110000000600
タイトル*平成22年度中間年報 最先端研究開発支援プログラム/低炭素社会に資する有機系太陽電池の開発/高度構造制御された酸化チタンナノ微粒子の高速合成及び製膜技術の開発
公開日2011/6/29
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人岐阜大学
プロジェクト番号P09026
部署名新エネルギー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1.研究開発の内容及び成果
本年度の課題は、色素増感太陽電池の光電極となる酸化チタンナノ微粒子の高速合成手法を探索することである。反応条件のスクリーニングによる酸化チタンナノ微粒子の高速合成の基礎的条件を検討した。
チタン原料として、岐阜大学グループで見出したレピドクロサイト型チタン酸塩の塩基性均一溶液を用いた。この原料は、かさ高いカチオンとの静電的相互作用によって、塩基性水溶液として均一分散可能である。ここで、酸化チタン微粒子の結晶成長過程において、チタンイオンに結合する有機SDA (Structure Directing Agents)を共存させることで結晶成長に異方性を生じさせ、特異的なナノ構造を有する酸化チタンの合成を試みた。SDAの種類や濃度を様々に展開させてナノ構造やサイズの作り分けとプロセスの高速化を目的とした。さらに結晶成長原理について考察した。
種々の反応条件検討を効率良く進めるために、まずは、バッチ式での高速水熱合成を行い、SDA分子を始めとする原料濃度、反応温度、時間などの条件出しをスピーディーに実施することで、有望な反応系の抽出を進めた。また、酸化チタンナノ材料を事業展開することが可能な製造方法の候補として、連続高速合成を特徴とする超臨界水反応装置に着目し導入した。バッチ式での高速水熱合成で抽出された系について、超臨界水合成装置を用いた連続的な酸化チタンナノ微粒子の合成を開始した。得られた微粒子については、ナノ構造に関する基礎データの収集を進めると共に、これを製膜、太陽電池を試作して機能を確認した。
英文要約Title: Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology (FIRST Program). Rapid synthesis of highly structure-controlled TiO2 nanoparticles and development of their film production methods (FY2010 Annual Report)
With an aim to develop high performance TiO2 photoelectrodes for dye-sensitized solar cells (DSC), rapid synthesis of TiO2 nanocrystals was studied this fiscal year. There is currently a growing need to effectively produce low cost TiO2 nanocrystals for industrial application of DSC. Layered titanium colloids, comprised of poly-Ti(IV) oxo acids which are electrostatically stabilized by the bulky tetramethylammonium ions between each layer, were used as a precursor for TiO2 crystals. Notably, rapid hydrothermal synthesis was found to accelerate polycondensation of the colloids at 170°C. The reaction was completed in less than 60min., which is significantly faster than the conventional hydrothermal synthesis of TiO2 nanoparticles. The following nanostructured TiO2 crystals were successfully synthesized in the presence of organic structure directing agents (SDA): i)Nanorod TiO2 crystals with an approximate size of 20nm in width and 100nm in length were obtained by using citric acid as the SDA. High resolution TEM of the nanorods revealed their high crystallinity without dislocations. Topotactic conversion of an oriented assembly of layered titanium colloids probably lead to the formation of such a nanorod TiO2 morphology with a single anatase phase of exposed {101} planes, ii) Even higher level of anisotropic crystal growth was observed when aromatic SDA was employed, resulting in needle-like TiO2 crystals with an approximate size of 20nm in width and 300nm in length. On minor addition of the SDA, however, round shaped rutile TiO2 nanocrystals were found to be selectively synthesized. Importantly, dye-sensitized solar cells built from the TiO2 nanorods exhibited higher light-to-electricity conversion efficiency compared to that of Degussa-P25 TiO2, which were proved by photoelectrochemical measurements. Synthesis of TiO2 nanoparticles was also examined by utilizing a supercritical reaction system, which was designed for a continuous crystallization process using supercritical water. At around 390°C and 30MPa, rapid polycondensation reaction of layered titanium colloids took place to convert it into highly crystalline TiO2 nanoparticles of approximate size of 20nm, further reducing the reaction times to several minutes. Our findings demonstrated that the rapid reaction process for synthesizing TiO2 nanocrystals from layered titanium colloids has significant potential to obtain high-quality TiO2 films as photoelectrodes for DSC applications.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る