锌酞菁类化合物的合成、结构及性能研究

发布时间：2017-06-08 17:14

  本文关键词：锌酞菁类化合物的合成、结构及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells，DSSC)是一种成本低、效率高且对环境友好的太阳能电池，自从上世纪90年代诞生以来便受到许多国家研究人员的高度重视，已展现出非常诱人的应用前景。在DSSC体系中，吸附了单层光敏染料的纳米多孔半导体电极是其最为核心的部分。光敏染料起着吸收太阳能，并将激发态电子注入到纳米半导体导带的作用，是DSSC能获得高光电转换效率和长寿命的决定性因素之一。 酞菁具有离域π电子大环共轭体系，有优良的化学稳定性、热稳定性、独特的光和电等性质。通过改变引入酞菁环外围的取代基，可得到性能不同的酞菁类化合物，根据不同的特点它们能被应用到许多领域，其中一些已被应用到DSSC中。传统的酞菁溶解性较差，易集聚，为了增强其溶解性，减少集聚，增大光谱响应范围，本文成功合成了六种新型的锌酞菁光敏染料，通过引入不同的取代基改变分子的结构，达到提高光物理与电化学性能的目的。 由原料4-硝基邻苯二甲腈、对氨基酚、对羟基苯甲酸、8-羟基喹啉、苯甲醛、对羟基苯甲醛和醋酸锌等在1,8-二氮杂环[5,4,0]十一烯-7(DBU)的催化下合成了含芳氧基和席夫碱基团两大类六种新型锌酞菁，分别是：2(3)-(4-羧基苯氧基)-9(10),16(17),23(24)-三(异丙氧基)锌酞菁(IPc)、2(3)-(4-羧基苯氧基)-9(10),16(17),23(24)-三(8-氧基喹啉)锌酞菁(QPc)、2(3)-[二(对硝基苯基)氨基苯氧基]-9(10),16(17),23(24)-三(8-喹啉氧)锌酞菁(TQPc)、β-四苯亚甲基氨基锌酞菁(BPc)、β-四对羟基苯亚甲基锌酞菁(HPc)、β-四对羧基苯亚甲基锌酞菁(CPc)。 通过红外光谱、紫外-可见光谱、元素分析和核磁共振氢谱等方法表征了六种锌酞菁化合物的结构，并分别比较了它们在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液及其敏化的纳米TiO2薄膜的紫外-可见光谱。结合紫外-可见光谱图、循环伏安曲线和差分脉冲伏安曲线确定了六种锌酞菁类化合物的基态氧化电位和激发态电位能级位置，最后测量了由其组装的DSSC的光伏性能。 结果表明，含芳环不对称锌酞菁在DMF溶液中紫外-可见光谱的Q带最大吸收峰大约在670-680nm处，而含席夫碱基团锌酞菁在DMF溶液中紫外-可见光谱的Q带最大吸收峰大约在710-715nm处，后三种锌酞菁由于共轭性的增大发生了较大程度的红移，六种锌酞菁敏化的纳米TiO2薄膜的紫外-可见光谱红移现象更为明显，且吸收带宽化了许多。六种锌酞菁染料敏化剂的激发态能级范围在-0.88V~-1.20V之间，与纳米TiO2导带能级位置相匹配，总的光电转换效率(η)分别是：0.40%，0.43%，，0.51%，0.70%，0.73%，0.98%，得到了一定的的光电性能，尤其是CPc光电转化率更为显著。
【关键词】：不对称 席夫碱 锌酞菁 合成 表征 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O626
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-29
• 1.1 酞菁简介11
• 1.2 酞菁的结构特点及性质11-13
• 1.3 金属酞菁的光谱学性质13-14
• 1.4 酞菁的聚集性质14-15
• 1.5 金属酞菁的合成15-20
• 1.5.1 固相合成法16
• 1.5.2 液相合成法16-18
• 1.5.3 微波辅助法18-20
• 1.6 酞菁在染料敏化太阳能电池(DSSC)方面的应用20-26
• 1.6.1 DSSC 的基本构造及工作原理21-22
• 1.6.2 光敏染料的特点22-23
• 1.6.3 染料敏化剂的研究现状23-24
• 1.6.4 酞菁敏化剂的研究进展24-26
• 1.7 本论文选题依据及主要研究内容26-29
• 1.7.1 选题依据26-27
• 1.7.2 研究内容27-29
• 2 含芳环不对称锌酞菁类化合物的合成29-42
• 2.1 引言29-30
• 2.2 试剂与仪器30-32
• 2.2.1 试剂30-31
• 2.2.2 仪器31-32
• 2.3 前躯体的合成与表征32-35
• 2.3.1 二(对硝基苯基)氨基苯酚的合成与表征32-33
• 2.3.2 4-(二(对硝基苯基)氨基苯氧基)邻苯二甲腈的合成与表征33
• 2.3.3 4-(异丙氧基)邻苯二甲腈的合成与表征33-34
• 2.3.4 4-(4-羧基苯氧基)邻苯二甲腈的合成与表征34-35
• 2.3.5 4-(8-氧基喹啉)邻苯二甲腈的合成与表征35
• 2.4 含芳环不对称锌酞菁类化合物的合成与表征35-39
• 2.4.1 2(3)-(4-羧基苯氧基)-9(10),16(17),23(24)-三(异丙氧基)锌酞菁(IPc)的合成与表征35-36
• 2.4.2 2(3)-(4-羧基苯氧基)-9(10),16(17),23(24)-三(8-氧基喹啉)锌酞菁(QPc)的合成与表征36-37
• 2.4.3 2(3)-[二(对硝基苯基)氨基苯氧基]-9(10),16(17),23(24)-三(8-喹啉氧)锌酞菁(TQPc)的合成与表征37-39
• 2.5 含芳环不对称锌酞菁类化合物的红外光谱图39-40
• 2.6 纳米 TiO_2薄膜的制备40
• 2.7 对电极的制备40
• 2.8 染料敏化太阳能电池的组装40-41
• 2.9 小结41-42
• 3 对化合物的性能研究42-57
• 3.1 引言42
• 3.2 紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱42-49
• 3.2.1 溶液和敏化的纳米 TiO_2薄膜的 UV-Vis 光谱42-44
• 3.2.2 聚集性的研究44-49
• 3.3 氧化还原性质49-53
• 3.4 不对称酞菁锌构建的 DSSC 的光伏性能及测试53-55
• 3.5 小结55-57
• 4 含芳环席夫碱锌酞菁类化合物的合成57-65
• 4.1 引言57-58
• 4.2 试剂与仪器58-59
• 4.2.1 试剂58
• 4.2.2 仪器58-59
• 4.3 含芳环席夫碱锌酞菁类化合物的合成与表征59-63
• 4.3.1 β-四苯亚甲基氨基锌酞菁(BPc)的合成与表征59-61
• 4.3.2 β-四对羟基苯亚甲基锌酞菁(HPc)的合成与表征61-62
• 4.3.3 β-四对羧基苯亚甲基锌酞菁(CPc)的合成与表征62-63
• 4.4 含芳环席夫碱锌酞菁类化合物红外光谱63-64
• 4.5 小结64-65
• 5 含芳环席夫碱锌酞菁类化合物的性能研究65-74
• 5.1 UV-Vis 光谱65-70
• 5.1.1 敏化纳米 TiO_2薄膜的 UV-Vis 光谱65-67
• 5.1.2 聚集性研究67-70
• 5.2 氧化还原性质70-72
• 5.3 含芳环席夫碱锌酞菁光伏性能72
• 5.4 小结72-74
• 结论74-76
• 参考文献76-84
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果84-85
• 致谢85

【参考文献】

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1 裴娟;三苯胺类光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究[D];南开大学;2009年

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本文编号：433201