过程工程所在无机多壳层空心结构制备又获重要进展

多壳层空心球由于具有很大的内部空间及厚度在纳米尺度范围内的壳层，在光电器件、催化、化学传感器、药物输送，能量转换及存储体系等领域有广泛的应用前景。在国家自然科学基金、北京市自然科学基金和重点实验室基金等支持下，王丹研究员领导的课题组及其合作者在以往成果的基础上（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 2738-2741；中国发明专利：多壳层金属氧化物空心球及其制备方法，201010544562.4）进一步发展了“时空多尺度模板法”，以吸附了金属离子的碳球为起点，通过对热处理方式和前驱体溶液浓度的调控，实现了对ZnO多壳层空心球壳层数和壳层间距的控制。研究结果表明，以此材料制备的染料敏化太阳能电池的光电能量转化效率不仅随着空心球壳层数的增加而提高，与壳层间距也有着密切联系。最外两壳层相邻的多壳层空心球比壳层随机分布的多壳层空心球制备的太阳能电池具有更高的能量转化效率。这是由于最外两壳层相邻的多壳层空心球不但具有更大的表面积，能够吸附更多的染料分子；还能增强材料对光的散射，光在材料内的路程增长，染料分子吸收光的概率也相应增大。该成果为高效染料敏化太阳能电池光电极材料的设计开发开辟了新的路径。相关研究结果发表在国际著名杂志《先进材料》（Advanced Materials, 2012, DOI: 10.1002/adma.201104626）上。

由于课题组在多壳层空心球领域取得的突破性研究成果，王丹研究员受Energy & Environmental Science杂志邀稿，在该杂志上发表了Future Article (Perspective, Energy Environ. Sci, 2012,5(2), 5604-5618），总结了纳微结构多壳层空心球的三种制备方法：硬模板法、软模板法、无模板法，以及空心结构材料在染料敏化太阳能电池、燃料电池、锂离子电池和超级电容器领域的应用；并创新性地提出了以硬模板法一步制备多壳层空心球的三种可能途径。该论文在2011年11月和12月连续两个月位列Top Ten most-read EES articles。

基金资助：NSFC (21031005, 91122014, 20971125, 21006116, 21050110428, 51172235); BNSF 2082022; MPCS-2011-D-15; NKLBE-2010KF-09.

不同热处理方式制备的多壳层空心球的形成过程示意图

最外两壳层相邻的四壳层空心球的J–V曲线及光在球内的多次反射示意图

硬模板法制备多壳层空心球的三种途径：(a,b,c) 固体模板；(d,e) 空心模板；(f) 固体模板与空心模板相结合