Hollow silica and silica-polymer spheres with diameters between 720 and 1000 nanometers were fabricated by consecutively assembling silica nanoparticles and polymer onto colloids and subsequently removing the templated colloid either by calcination or decomposition upon exposure to solvents. Scanning and transmission electron microscopy images demonstrate that the wall thickness of the hollow spheres can be readily controlled by varying the number of nanoparticle-polymer deposition cycles, and the size and shape are determined by the morphology of the templating colloid. The hollow spheres produced are envisioned to have applications in areas ranging from medicine to pharmaceutics to materials science.

Mesoporous anatase TiO2 beads with high surface areas and controllable pore sizes are prepared by using a combined sol–gel and solvothermal process. Dye-sensitized solar cells made from these mesoporous beads gave a total power conversion efficiency of 7.20% under AM 1.5 sunlight, higher than that obtained using Degussa P25 films of similar thickness (5.66%). Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

The fabrication of magnetic composite core−shell particles and hollow spheres with tailored dimensions and compositions has been accomplished by a multistep (layer-by-layer) strategy. Composite particles were prepared by coating submicrometer-sized anionic polystyrene (PS) latices with magnetite (Fe3O4) nanoparticle layers alternately adsorbed with polyelectrolyte from aqueous solution. The thickness of the deposited multilayers could be finely tuned with nanoscale precision, either by selection of the number of adsorption cycles performed or by the number of polyelectrolyte layers deposited between each nanoparticle layer (i.e., interlayer). As demonstrated by transmission electron microscopy, a marked improvement in the growth, uniformity, and regularity of the composite multilayers was achieved when the number of polyelectrolyte interlayers was increased from one [(poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC)] to three [(PDADMAC/poly(styrenesulfonate) (PSS)/PDADMAC)]. Hollow, intact magnetic spheres were obtained by calcination of the core−shell particles at elevated temperature. Furthermore, composite hollow spheres were prepared by calcination of PS latices coated with multilayers of silica and Fe3O4 nanoparticles. These nanoengineered colloidal particles may potentially find applications as delivery systems, or in diagnostics, where the particles can be directed by application of an external magnetic field.

The applicability of the layer-by-layer (LbL) technique for the formation of a range of polymer-core inorganic-shell particles and inorganic hollow spheres is demonstrated. Titanium dioxide, silica, and Laponite nanoparticles were used as the inorganic building blocks for multilayer formation on polystyrene (PS) sphere templates. Composite organic−inorganic particles were formed by the controlled assembly of the preformed nanoparticles in alternation with oppositely charged polyelectrolytes onto PS microspheres. The influence of nanoparticle type, shape (spherical to sheetlike), and size (3−100 nm), and the diameter of the PS sphere templates (210−640 nm) on the formation of multilayer shells was examined by transmission and scanning electron microscopy. In addition, the LbL technique for coating polymer spheres has been shown to be adaptable with small variations in the coating steps used to optimize the nanoparticle coatings of the different materials. For example, the number of polyelectrolyte multilayers separating the nanoparticle layers, and the number of nanoparticle/polyelectrolyte deposition cycles were varied to generate uniformly coated nanocomposite spheres. These hybrid core−shell particles were subsequently calcined to create well-defined hollow spheres with predetermined diameters. Such hollow spheres may find application in diverse areas, ranging from photonics to fillers and pigments to microencapsulation.

The simple planar configuration of organic–inorganic hybrid perovskite solar cells produced by a solution coating process has great potential to be a low-cost and high efficiency photovoltaic technology. However planar perovskite films produced by “normal” spin coating usually show a dendritic grain morphology giving many gaps in the film, resulting in poor coverage of the substrate and thus a low power conversion efficiency. Here a facile gas-assisted solution processing technique is reported that has changed the kinetics of nucleation and crystal growth of the perovskite during the spin coating, producing very uniform perovskite thin films consisting of densely packed single crystalline grains. This microstructure is an ideal candidate for the p–i–n solar cell device. Planar perovskite solar cells constructed from these films produced a highly reproducible average power conversion efficiency of 15.7±0.7%. The highest efficiency achieved was 17.0% with a slightly lower steady-state value of 16.5% at the maximum power output of the solar cell.

Nanocoating, the covering of materials with a layer on the nanometer scale, or covering of a nanoscale entity, to form nanocomposites and structured materials using the sol−gel process is reviewed. Templates from spherical nanoparticles to complex bicontinuous networks are discussed where either the coated material or the structured inorganic hollow frame resulting after removal of the template are of interest in fields of application ranging from information storage to catalysis. The sol−gel procedure allows coating of templates with complex shapes on the micrometer to nanometer scale, which some commonly used coating procedures cannot achieve. In addition, sol−gel coating techniques can be applied to delicate systems without disruption of their structure or functionality, for example, the coating of biocomplexes or organic aggregates, such as organogelators. Three-dimensional structures with elaborate pore architectures, such as polymer membranes and gels, can also be infiltrated with sol−gel solutions to achieve nanocoatings.

Dye-sensitized solar cells employing mesoporous TiO2 beads have demonstrated longer electron diffusion lengths and extended electron lifetimes over Degussa P25 titania electrodes due to the well interconnected, densely packed nanocrystalline TiO2 particles inside the beads. Careful selection of the dye to match the dye photon absorption characteristics with the light scattering properties of the beads have improved the light harvesting and conversion efficiency of the bead electrode in the dye-sensitized solar cell. This has resulted in a solar to electric power conversion efficiency (PCE) of greater than 10% (10.6% for Ru(II)-based dye C101 and 10.7% using C106) for the first time using a single screen-printed titania layer cell construction (that is, without an additional scattering layer).

Monodisperse mesoporous anatase titania beads with high surface areas and tunable pore size and grain diameter have been prepared through a combined sol-gel and solvothermal process in the presence of hexadecylamine (HDA) as a structure-directing agent. The monodispersity of the resultant titania beads, along with the spherical shape, can be controlled by varying the amount of structure-directing agent involved in the sol-gel process. The diameter of the titania beads is tunable from approximately 320 to 1150 nm by altering the hydrolysis and condensation rates of the titanium alkoxide. The crystallite size, specific surface area (from 89 to 120 m(2)/g), and pore size distribution (from 14 to 23 nm) of the resultant materials can be varied through a mild solvothermal treatment in the presence of varied amounts of ammonia. On the basis of the results of small-angle XRD, high-resolution SEM/TEM, and gas sorption characterization, a mechanism for the formation of the monodisperse precursor beads has been proposed to illustrate the role of HDA in determining the morphology and monodispersity during the sol-gel synthesis. The approach presented in this study demonstrates that simultaneous control of the physical properties, including specific surface area, mesoporosity, crystallinity, morphology, and monodispersity, of the titania materials can be achieved by a facile sol-gel synthesis and solvothermal process.

Abstract Submicrometer‐sized (830 ± 40 nm) mesoporous TiO 2 beads are used to form a scattering layer on top of a transparent, 6‐µm‐thick, nanocrystalline TiO 2 film. According to the Mie theory, the large beads scatter light in the region of 600–800 nm. In addition, the mesoporous structure offers a high surface area, 89.1 m 2 g −1 , which allows high dye loading. The dual functions of light scattering and electrode participation make the mesoporous TiO 2 beads superior candidates for the scattering layer in dye‐sensitized solar cells. A high efficiency of 8.84% was achieved with the mesoporous beads as a scattering layer, compared with an efficiency of 7.87% for the electrode with the scattering layer of 400‐nm TiO 2 of similar thickness.

The Raman scattering behavior of anatase nanocrystals with average diameters of 4, 8, 20, and 34 nm has been compared with bulk crystal data in order to establish size-dependent changes to the phonon spectrum at ambient conditions. Further, the high-pressure behavior of the anatase nanocrystals was examined at room-temperature using in situ Raman scattering data obtained in diamond-anvil cells to a maximum pressure of 41 GPa. The size-dependent changes to the Raman spectrum are best explained in terms of three-dimensional confinement of phonons in finite-sized nanocrystalline anatase. The difference in slopes obtained for the pressure shifts of Raman modes between nanocrystalline and single crystal anatase is in conformity with the observed size-dependent bulk modulus values. The metastability of anatase as a function of pressure is demonstrated to be size dependent, with smaller crystallites preserving the structure to higher pressures. Three size regimes have been recognized for the pressure-induced phase transition of anatase at room temperature: an anatase-amorphous transition regime at the smallest crystallite sizes, an anatase-baddeleyite transition regime at intermediate crystallite sizes, and an anatase--$\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Pb}{\mathrm{O}}_{2}$ transition regime comprising large nanocrystals to macroscopic single crystals. This size-dependent phase selectivity of anatase at high pressures explains the recent contradictory experimental data. A semiquantitative phase diagram for anatase metastability as a function of size and pressure at room temperature is proposed.