新型三苯胺类敏化染料的分子设计与合成研究
发布时间：2020-07-15 12:39
【摘要】：近几年来随着全球工业的高速发展,对能源的需求也越来越大,而且大量温室气体的排放严重影响了生态平衡的可持续发展。发展利用可再生能源成为解决能源危机和维持生态平衡可持续发展的重要途径,太阳能作为可再生能源具有经济、环保、可持续发展等方面的优点,因此越来越多的人把研究方向转向太阳能。性能优良的敏化染料对提高光电转换效率至关重要,其中三苯胺因独特的空间结构,使得以三苯胺为电子供体的一类有机染料在染料敏化太阳能电池上得到了广泛的关注。随着科学技术的不断发展,化学计算方法和高性能计算平台取得了很大的进步,已经应用到分子结构及性能研究中,这使得研发时间大幅缩短,避免了实验资源的浪费。本文设计了两类敏化染料分子,第一类是在原始构型为D-π-A型的三苯胺类敏化染料B1的基础上引入不同的额外受体构成D-A-π-A型敏化染料分子;第二类是在以苯并恶二唑为额外受体的D-A-π-A型敏化染料分子中供电子基团的三苯胺支链上引入不同的基团构成新的染料分子。设计的分子都利用密度泛函理论对染料分子进行结构优化、电荷分布、能级等计算,研究不同额外受体和三苯胺支链对敏化染料结构及性能的影响。计算研究表明设计的11种染料均能保持稳定的空间结构,在可见光区甚至红外光区都有良好的吸收范围,均具有较窄的带隙。比较HOMO和LUMO能级的电荷分布可知,这些染料都可以发生分子内电荷转移。同时由于HOHO能级均低于氧化还原电解质I~-/I_3~-的氧化还原电位,LUMO能级均高于TiO_2的导带能级,因此保证了染料电子的有效转移和染料重生。通过对计算结果的综合分析,得出两类敏化染料的性能排序为DPPBTDBODPDPQuBTZB1和DyeEDye BDyeCDyeADye DB1-BOD。根据计算研究的结果选取了性能较好的B1-BOD和DyeE为合成对象,以苯并二唑-4-甲醛,三苯胺硼酸,4-硼酸-4',4'二甲氧基三苯胺、氰基乙酸为主要原料,通过溴代反应,Suzuki偶合反应,Knoevenagel缩合反应对其进行了合成,对中间产物和目标产物进行~1H NMR、~(13)C NMR、MS及IR检测验证,结果表明合成了目标产物。对B1-BOD和Dye E进行了光学测试、电化学测试及光伏性能测试,结果显示两种染料染料有较宽的吸收光谱范围,分别为200-652.5nm、200-700nm;两种染料的HOMO和LUMO能级与二氧化钛和电解液的能级相匹配,符合作为敏化剂所必要的条件;并利用量子化学计算了染料的电子跃迁参数,进一步从理论上说明了两种染料的性能良好。
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ618.99
【图文】：
图 1-1 DSSCs 的简易组成图极作为 DSSCs 中不可或缺的构成部分，一般由负载着敏化染料的金属其表面上敏化染料的吸附量和稳定性将决定电池的性能。因此理论上该具有较大的比表面积，从而吸附较多的敏化染料分子，把更多电子。光阴极是染料敏化太阳能电池的另一个组成部分，能够把外电路的回体系当中，可以维持电解液中氧化还原电解对的平衡。目前使用相极是镀铂的导电玻璃和碳电极。DSSCs 中的电解液一般可以分为液态态电解质，现阶段使用的液态电解质中 I3-/I-氧化还原电子对的占大多好的稳定性，促使染料的再生。DSSCs 的工作原理染料敏化太阳能电池的主要目的就是利用其收集太阳光然后将光能转个光电转换的过程和生物界植物的光合作用相类似[22]。染料敏化太阳化染料就相当于植物中的叶绿素，在整个过程中主要起到的作用是吸再产生电子。DSSCs 工作的原理是将敏化染料吸收太阳光然后产生的
图 1-2 光电流密度-光电压（J-V）曲线示意图DSSCs 的电流和电压，然后将电流转换成电流密度就以看出短路电流密度（Jsc）是 J-V 曲线和纵坐标的交和横坐标的交点。至于电池最大输出功率时的电流密计算，在 J-V 图中很难直接看出。化太阳能电池中染料的要求太阳能电池中起到关键作用的是敏化染料，敏化染过程能否顺利的进行。因此如果要使敏化染料发挥么必须满足一定条件的敏化染料才能够被应用到 DS探索得知由于的 TiO2半导体薄膜的禁带为 3.2eV，不容易被激发发生能级的跃迁。由于紫外线的光照波长更短（能量更大）的光线照射下电子才会跃迁光的大部分能量主要集中在可见光及红外区域，紫外阳光总能量的 5%左右，这就是为什么使用太阳光照
图 1-3 三种典型的联吡啶钌基染料1.5.2 卟啉类配合物发现卟啉类敏化染料能够产生光电效应的是 Bard 等人[35]，他们在模拟太阳能光照的条件下利用卟啉做敏化染料发现其可以产生光电效应，这激发了科研工作者对其研究的热情，经过不断地研究合成出了很多敏化染料，他们都具有优良的性能，其中一种含有多烯丙二酸基团的锌配位的卟啉类染料在 2007 年被 Campbell 等[36]合成，其电池效率达到 7.1%。
本文编号：2756501
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ618.99
【图文】：
图 1-1 DSSCs 的简易组成图极作为 DSSCs 中不可或缺的构成部分，一般由负载着敏化染料的金属其表面上敏化染料的吸附量和稳定性将决定电池的性能。因此理论上该具有较大的比表面积，从而吸附较多的敏化染料分子，把更多电子。光阴极是染料敏化太阳能电池的另一个组成部分，能够把外电路的回体系当中，可以维持电解液中氧化还原电解对的平衡。目前使用相极是镀铂的导电玻璃和碳电极。DSSCs 中的电解液一般可以分为液态态电解质，现阶段使用的液态电解质中 I3-/I-氧化还原电子对的占大多好的稳定性，促使染料的再生。DSSCs 的工作原理染料敏化太阳能电池的主要目的就是利用其收集太阳光然后将光能转个光电转换的过程和生物界植物的光合作用相类似[22]。染料敏化太阳化染料就相当于植物中的叶绿素，在整个过程中主要起到的作用是吸再产生电子。DSSCs 工作的原理是将敏化染料吸收太阳光然后产生的
图 1-2 光电流密度-光电压（J-V）曲线示意图DSSCs 的电流和电压，然后将电流转换成电流密度就以看出短路电流密度（Jsc）是 J-V 曲线和纵坐标的交和横坐标的交点。至于电池最大输出功率时的电流密计算，在 J-V 图中很难直接看出。化太阳能电池中染料的要求太阳能电池中起到关键作用的是敏化染料，敏化染过程能否顺利的进行。因此如果要使敏化染料发挥么必须满足一定条件的敏化染料才能够被应用到 DS探索得知由于的 TiO2半导体薄膜的禁带为 3.2eV，不容易被激发发生能级的跃迁。由于紫外线的光照波长更短（能量更大）的光线照射下电子才会跃迁光的大部分能量主要集中在可见光及红外区域，紫外阳光总能量的 5%左右，这就是为什么使用太阳光照
图 1-3 三种典型的联吡啶钌基染料1.5.2 卟啉类配合物发现卟啉类敏化染料能够产生光电效应的是 Bard 等人[35]，他们在模拟太阳能光照的条件下利用卟啉做敏化染料发现其可以产生光电效应，这激发了科研工作者对其研究的热情，经过不断地研究合成出了很多敏化染料，他们都具有优良的性能，其中一种含有多烯丙二酸基团的锌配位的卟啉类染料在 2007 年被 Campbell 等[36]合成，其电池效率达到 7.1%。
【参考文献】
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1 孟芳;几种结构简单的敏化染料设计与合成[D];郑州大学;2012年
本文编号：2756501
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