有机光敏染料分子设计、合成及其在太阳能转化方面的应用

发布时间：2017-06-08 04:14

  本文关键词：有机光敏染料分子设计、合成及其在太阳能转化方面的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太阳光催化分解水制氢体系主要分为均相和多相两类,被称为21世纪“化学的圣杯”之一,是将太阳能转化为清洁、环保可再生能源以满足日益增长的能源需求的最佳途径之一。染料敏化太阳能电池体系简称DSSCs,能够将太阳能直接转化为电能,具有巨大的发展潜力,对其的研究一直受到高度重视。设计合成有效的光敏剂用于捕获太阳能是光解水制氢体系与染料敏化太阳能电池体系的关键性因素。其中以钌金属配合物以及其他贵金属(Ir、Pt)配合物作为光敏剂的研究占主导地位。但是由于贵金属配合物来源稀少、成本昂贵,限制其的实际应用。相比于贵金属配合物,有机染料具有结构多样性,高摩尔消光系数,成本低廉,合成简单,环境友好等特点,但是,有机染料作为太阳能转化的光敏剂报道相对较少,因此,探究新的、高效的有机光敏剂是光催化制氢和染料敏化太阳能电池体系发展的关键。本论文设计合成了9个氟硼吡咯光敏剂(B1-B9),并将其应用于光催化制氢和染料敏化太阳能电池体系。探究其结构与其光催化制氢活性和染料敏化太阳能电池性能的关系。对于均相光解水制氢体系,在最优条件下,以2,6-位修饰碘原子,且羧基在邻位的光敏剂B5活性最高,TON达到197。同时我们结合实验及理论计算结果,给出了该均相光催化制氢体系的还原猝灭机理。对于多相光解水制氢体系,以2,6-位修饰碘原子,且羧基在对位的光敏剂B3活性最高,TON达到70。对于敏化太阳能电池体系,光电转换效率以B1最佳。光解水制氢体系与染料敏化太阳能电池体系性能的差异主要与电子传递方式与染料聚集相关。同时我们合成了一个新型D-π-A-π-A构型的有机染料D2,该染料分子以咔唑为电子给体,苯并噻二唑和氰基丙烯酸为电子受体,并将其作为光敏剂应用于太阳能转化。与传统的D-π-A构型的光敏剂D1相比,D2光敏剂具有更强的光捕获能力和更加有效的电荷转移特性,使得其具有更高的稳定性和光电转化效率(η=3.50%vs 1.14%)以及光制氢效率(TON=1450 vs 100)。
【关键词】：光解水制氢 染料敏化太阳能电池 有机光敏剂 还原猝灭 光电转换效率
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 引言10
• 1.2 均相光解水制氢体系的研究进展10-17
• 1.2.1 金属配合物作为光敏剂11-15
• 1.2.2 有机染料作为光敏剂15-17
• 1.3 多相光解水制氢体系的研究进展17-23
• 1.3.1 金属配合物作为光敏剂18-21
• 1.3.2 有机染料作为光敏剂21-23
• 1.4 染料敏化太阳能电池体系的研究进展23-26
• 1.4.1 金属配合物作为光敏剂24-25
• 1.4.2 有机染料作为光敏剂25-26
• 1.5 本论文的研究内容和意义26-28
• 第2章 实验部分28-38
• 2.1 仪器及试剂28-31
• 2.1.1 仪器28-29
• 2.1.2 药品试剂29-31
• 2.2 样品的制备、测试与表征31-38
• 2.2.1 TiO_2胶体的制备31-32
• 2.2.2 TiO_2量子点和TiO_2阻挡层的制备32
• 2.2.3 光谱测试32-33
• 2.2.4 电化学性能测试方法33
• 2.2.5 核磁测试33
• 2.2.6 单晶结构测定33-34
• 2.2.7 光电转换性能和阻抗测试34
• 2.2.8 量子化学计算方法34-35
• 2.2.9 光致产氢反应35-38
• 第3章 基于碘代BODIPY有机光敏染料的合成及其在均相光解水制氢体系的应用38-54
• 3.1 引言38-39
• 3.2 光敏剂和钴肟催化剂的合成39-41
• 3.3 单晶结构解析41-42
• 3.4 光物理性能研究42-43
• 3.5 理论计算43-44
• 3.6 电化学性能44-45
• 3.7 均相光催化制氢反应45-48
• 3.8 均相光催化制氢机理48-51
• 3.8.1 理论计算分析48-49
• 3.8.2 光谱分析49-51
• 3.9 本章小结51-54
• 第4章 基于羧基取代BODIPY有机光敏染料的合成及其在太阳能转化方面的应用54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 实验部分54-57
• 4.2.1 光敏剂的合成54-56
• 4.2.2 铂负载二氧化钛共催化剂的合成56
• 4.2.3 染料敏化太阳能电池的组装56-57
• 4.3 单晶结构解析57
• 4.4 多相光解水制氢体系57-60
• 4.5 多相光催化制氢机理60
• 4.6 BODIPY敏化纳米二氧化钛薄膜的光伏性能60-62
• 4.7 比较均相、多相产氢和染料敏化太阳能电池体系62-64
• 4.8 本章小结64-66
• 第5章 基于D-π-A-π-A结构的有机光敏染料的合成及其在太阳能转化方面的应用66-80
• 5.1 引言66
• 5.2 实验部分66-70
• 5.2.1 光敏剂的合成66-69
• 5.2.2 染料负载 1.0 wt% Pt-TiO_2的合成69
• 5.2.3 染料敏化太阳能电池的组装69-70
• 5.3 光物理性能研究70-71
• 5.4 电化学性能71-72
• 5.5 理论计算72-74
• 5.6 多相光催化制氢反应74-75
• 5.7 光伏性能测试75-77
• 5.8 比较多相光解水制氢和染料敏化太阳能电池体系77-78
• 5.9 本章小结78-80
• 结论80-82
• 参考文献82-90
• 致谢90-92
• 附录 论文中部分化合物的晶体数据、密度泛函理论计算和相应的核磁共振谱图92-128
• 个人简历、在学期间发表的学术论文128

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