新型染料的合成及其在染料敏化太阳能电池和二氧化碳还原中的应用研究

发布时间：2018-01-11 20:14

本文关键词：新型染料的合成及其在染料敏化太阳能电池和二氧化碳还原中的应用研究　出处：《兰州大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：到目前为止,全球每年的能源消耗大约在10TW;到2050年,能源消耗将增加至30TW。为了维持大气中二氧化碳的浓度,额外的20TW能量则将由清洁能源弥补。因此,在过去几十年中,为了寻求能源消耗和气候变化两者之间的平衡,各国都对新能源展开一系列的研究。太阳能作为一种分布广泛、资源丰富、环境友好、绿色环保和可持久利用的清洁能源而备受各国关注。光电转换以及光化学转换是太阳能利用的主要形式。染料敏化太阳能电池是新一代的太阳能电池,其以工艺简单、成本低、材料来源广泛,可大面积制备等优势引领太阳能电池的发展方向。此外,将二氧化碳还原和敏化二氧化钛联合应用合成高能化合物是太阳能光化学转化,这种技术太阳利用的另一种形式。敏化剂在光转化系统中吸收太阳光并引发最初的电子转移反应,是整个系统中的核心部分。合成优良的敏化剂对太阳能光转化有着极为重要的意义。本论文通过合成新型配合物作为光敏化剂,并将其应用到太阳能人工利用中。而关于光敏剂则关于一下四部分(1)Salen型金属化合物是类卟啉化合物,将这种金属配合物应用于太阳能电池中,是对卟啉类太阳能电池的补充。我们合成了6种敏化剂,并对其进行光伏响应、单色光转换效率、光电转化等性能进行测试,当供体部分的长链从0增至8时,光伏性能有极大的提升;而当引入第二个COOH时,由于提高了染料和二氧化钛的接触面积,进而增大了电子注入效率,所以光伏性能又有大幅提升。(2)对于敏化剂来说,为了保证电子在敏化剂中传递的方向性,合成不对称的Salen型化合物是非常有必要的。通过对这四种敏化剂进行光伏响应、单色光转换效率、光电转化等性能进行测试,其光电性能皆优于对称Salen型化合物。(3)卟啉及其衍生化合物广泛存在于生物体内和能量转移的相关的重要细胞器内。前人通过仿生叶绿素Chlorophy II将卟啉锌应用于染料敏化太阳能电池中。为了增加电子从染料到TiO_2的传输通道,合成多齿锚定基团的染料显得非常必要。我们通过合成5种卟啉染料,通过实验数据对比,具有多齿锚定基团的卟啉染料显示出优良的光伏性能,与传统的以羧酸为锚定基团的染料相比,具有明显的增强作用。密度泛函理论计算和电化学阻抗显示,三齿锚定模式可提供更多电子传输途径,优化电子向TiO_2薄膜注入效率。(4)人工光合作用是利用太阳能的另一种方式。它将太阳能的利用和温室气体治理来实现一个统一的实施。在本章中,课题组模拟绿叶光合作用系统,开发了一种人工光合作用系统(Pd/NRx@TiO_2)||Co-Pi/W:BiVO4):有机-无机复合材料作为光阴极,模拟光系统I;Co-Pi/W:BiVO4作为光阳极,模拟光系统II。在200mW/cm2的模拟太阳光的照射下,给以0.6V的电压,人工光系统产甲醇的速率达到106.4μM h-1 cm-2。顺磁共振实验(EPR)则表明羟基自由基是重要的中间体,并为实验机理猜测提供基础。此外,通过13CO_2的同位素标记实验证实,光系统所产甲醇的碳源皆来源于二氧化碳。而氧十八(H2O18)的同位素标记表明光系统产生了氧气。实现了光电联合催化CO_2还原和光解水反应的耦合。
[Abstract]:In order to maintain the balance between energy consumption and climate change , a series of studies have been carried out in the past few decades in order to improve the balance between energy consumption and climate change .

【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【参考文献】