四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究

为了研究四硫富瓦烯(TTF)基团对有机染料敏化剂光电性能的影响,以咔唑染料Dye 1 为原型,引入TTF基团作为电子给体,设计了咔唑染料Dye 2. 采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算模拟了纯染料分子和吸附团簇(TiO₂)₉后的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见吸收光谱,采用周期性密度泛函理论计算模拟染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌. 结果发现：在有机染料中引入TTF基团有助于有机染料敏化剂在二氧化钛表面的抗团聚作用和分子内的电荷转移;最为重要的是,TTF 基团的强给电子能力极大地增强了有机染料敏化剂的光捕获能力. 所有的计算结果表明,TTF基团是一种非常有潜力改善染料敏化剂光电性能的给电子基团.     

四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究(英文)

为了研究四硫富瓦烯(TTF)基团对有机染料敏化剂光电性能的影响,以咔唑染料Dye 1为原型,引入TTF基团作为电子给体,设计了咔唑染料Dye 2.采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算模拟了纯染料分子和吸附团簇(TiO2)9后的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见吸收光谱,采用周期性密度泛函理论计算模拟染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌.结果发现:在有机染料中引入TTF基团有助于有机染料敏化剂在二氧化钛表面的抗团聚作用和分子内的电荷转移;最为重要的是,TTF基团的强给电子能力极大地增强了有机染料敏化剂的光捕获能力.所有的计算结果表明,TTF基团是一种非常有潜力改善染料敏化剂光电性能的给电子基团.     

中心核对四硫富瓦烯端基星型分子结构和性质的影响

采用密度泛函理论方法对以四硫富瓦烯(TTF)为端基、 苯乙烯为桥的5种不同中心核(富电子核: 氮、 三聚咔唑及三聚吲哚; 缺电子核: 三嗪及三聚喹喔啉)构成的星型三支D-π-A型化合物的几何结构、 电子吸收光谱及电荷转移性质进行了研究. 结果表明, 通过改变中心核的类型, 可有效调节LUMO能级, 改变能隙的大小. 电荷差分密度及跃迁密度矩阵分析结果表明, 两支内的TTF端基与核到共轭桥链的电荷转移跃迁及少量的π→π^*跃迁对高能吸收带有贡献; 缺电子核化合物的低能吸收峰主要是TTF端基到桥链和中心核的电荷转移跃迁贡献, 不同于富电子核化合物明显的TTF贡献的支内定域电荷转移跃迁. 重组能计算表明, 除化合物NST(中心核为氮)外, 其余4个化合物的空穴重组能(λ_h)与电子重组能(λ_e)相当, 中心核为三聚咔唑的化合物CST重组能相对较小.     

2,3-二硫甲基-6,7-二硫十六烷基四硫代富瓦烯的合成

Langmuir-Blodgett(简称LB)法作为分子水平的成膜技术,能制备纳米级几乎无缺陷的单分子层或多分子层膜,在微电子学,分子器件,磁性有序材料,生物膜等方面有广泛的应用前景。目前,四硫富瓦烯类衍生物作为导电LB膜材料的研究,引起人们极大的兴     

新型萘基修饰四硫富瓦烯衍生物的合成及性质研究

在K2CO3存在下,对甲基苯磺酸酯四硫富瓦烯衍生物1和2-萘硫酚反应合成了新型萘基修饰的四硫富瓦烯衍生物2,并借助核磁、质谱、红外、元素分析等测试手段进行了结构表征.循环伏安法研究表明化合物2对Zn2+和Cd2+有电化学响应.荧光滴定实验表明,加入所测的金属离子,化合物2的荧光增强,且Zn2+和Cd2+离子引起的荧光增强较为显著.因此,化合物2可以作为电化学和荧光双重信号检测Zn2+和Cd2+的离子传感器.     

四硫富瓦烯四硫醇盐对纳米硫化物表面的修饰

本文报道用四硫富瓦烯四硫醇盐(TTFS₄^4-，简写TTFS₄)修饰CdS、NiS的纳米微粒的方法，通过TEM、FT-IR等手段对修饰的纳米微粒进行了表征。实验发现CdS/TTFS₄的固体荧光强度随着修饰量的增加而逐渐减弱。表面修饰后的CdS和NiS的电导率比修饰前都有提高，后者更为明显。     

四硫富瓦烯为电子媒介体的葡萄糖生物传感器的研究

本采用四硫富瓦烯（ＴＴＦ）作为葡萄糖氧化酶与玻碳电极之间的电子媒介体，把葡萄糖氧化酶因定在Ｎａｆｉｏｎ－ＴＴＦ修饰电极上，制成葡萄糖生物传感器。用这种传感器测定人体血清中葡萄糖的含量，其线性范围在４．０×１０＾－５～１０＾－３ｍｏｌ／Ｌ之间，响应时间为２０ｓ。该传感器具有选择性、重现性好，灵敏度高等优点。     

Nafion—四硫富瓦烯修饰蜡浸石墨电极的葡萄糖传感器

本文用四硫富瓦烯（ＴＴＦ）作为酶与电极之间的电子传递体，通过牛血清蛋白和戊二醛交联剂，把葡萄糖化氧化酶固定在Ｎａｆｉｏｎ－ＴＴＦ修饰石墨电极上，最后在电极修饰一层Ｎａｆｉｏｎ膜，制备成葡萄糖传感器。Ｎａｆｉｏｎ膜不仅能防止四硫富瓦燃流失，而且能氢抗坏血酸，尿酸等电活生物质阻挡在电极外，防止其干扰，同时具有防污性能。通过实验表明ＴＴＦ＾＋，ＴＴＴ＾２＾＋都能够氧化葡萄糖氧化酶中的辅酶（ＦＡＤＨ２）。     

低聚四硫富瓦烯的合成与研究进展

概括了伸展的给体-低聚四硫富瓦烯的合成方法, 讨论了这些给体的环伏安特性及其电荷转移复合物与自由基阳离子盐的研究进展。对低聚四硫富瓦烯的发展前景进行了展望。     

四硫富瓦烯衍生物修饰的银溶胶

四硫富瓦烯衍生物修饰的银溶胶;银溶胶;纳米粒子;四硫富瓦烯;氧化还原;表面修饰     

Optical and Electrical Properties of Triphenylamine Derivatives for Dye-sensitized Solar Cells and Designing of Novel Molecule

With density functional theory(DFT) method, the optimization of molecular configurations and the calculation of frontier molecular orbitals were achieved for triphenylamine(TPA)-based dye-sensitized solar cell materials at the B3LYP/6-31G(d, p) level. Time-dependent density functional theory(TD-DFT) was applied to calculating the probability of the transition from the ground state to the excited state. And UV-Vis absorption spectra were derived with Franck-Condon approximation. The conjugation length, substitution groups and spatial effects show a slight influence on the dihedral angle of the TPA group. The increase of conjugation length may cause a smaller energy gap as well as a higher highest occupied molecular orbital(HOMO) and a lower lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). The introduction of methoxyl group and TPA group could lower the energy gap while the HOMO and LUMO were elevated in energy.     

Application of Novel Calix[4]arene Metal-free Sensitizers in Dye-sensitized Photoelectrochemical Cells for Water Splitting

A series of novel calix[4]arene metal-free dyes, featuring macrocyclic structure and unique conical conformation, has been introduced into photoanode-based dye-sensitized electrochemical cell system as photosensitizers. The electrochemical properties of the corresponding sensitized photoanodes were systematically studied in the absence/presence of water oxidation catalyst(WOC). Furthermore, the visible-light-driven overall water-splitting reactions were conducted by fully assembled devices, obtaining a performance trend of Calix-3 > Calix-2 > Calix-1. The corresponding device of Calix-3 exhibited the best photoactivity, giving an initial photocurrent density of ca. 300 μA/cm², an IPEC peak value of ca. 9.0% at 365 nm and a wide photo-respond band up to ca. 620 nm. The best performance of Calix-3 can be attributed to its most effective light-harvesting ability, best ICT transition property, highest oxidation potential and thus best ability of activating WOC. This work offers an inspiration for the application of new-type effective metal-free sensitizers in photocatalytic water-splitting device.     

有机染料D-SS和D-ST用于染料敏化太阳能电池光敏剂的比较

为了揭示D-SS和D-ST分子敏化的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的物理机制,采用密度泛函理论(DFT)、含时密度泛函理论(TDDFT)和自然键轨道(NBO)分析,模拟计算染料D-SS和D-ST分子的结构、紫外-可见吸收光谱和能级结构.D-SS的紫外-可见吸收光谱相比于D-ST的有明显的红移,而且D-SS分子的摩尔吸光系数也高于D-ST分子的.D-SS分子本应该比D-ST分子拥有更高的俘获太阳辐射光子的能力,但由于D-SS分子的最高占据分子轨道(HOMO)能级位置比氧化还原电解质(|-/|-3)的氧化还原能级高,处于光激发态的D-SS分子向TiO2电极注入电子而被氧化后,不能顺利地从电解质中得到电子而还原,使得D-SS分子俘获光子的能力不能充分发挥,从而严重地降低了由其敏化的DSSCs的光电性能和光电能量转换效率.揭示了D-SS敏化的DSSCs的光电性能,特别是光电能量转换效率比D-ST敏化的DSSCs的低的原因.染料敏化剂分子的HOMO能级的位置对于DSSCs来说也是很重要的,用于DSSCs的有机敏化剂分子的HOMO能级的位置必须低于氧化还原电解质的氧化还原能级.     

含中氮茚有机太阳能电池染料敏化剂的分子设计

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了9个新的中氮茚[3, 4, 5-ab]异吲哚(INI)为给体的染料敏化剂性质.对影响电池效率的光捕获效率、电子注入、染料再生和电荷复合等重要因素与D5和D9染料进行了对比.计算表明,设计的INI系列敏化剂在440-500 nm内有最大吸收峰,表现出明显的电荷分离特征, INI2具有比D9染料更高的最大理论短路电流. Fukui反应指数计算指出INI2的亲核加成最易实现.染料分子在二氧化钛(101)面吸附计算表明,染料INI2以间接注入途径实现电子注入.综合计算结果,中氮茚INI染料有希望作为性能优良的染料敏化剂而得到应用.     

新型π-扩展TTF衍生物的合成、晶体结构及量子化学计算

以对苯二胺为起始原料合成了2个新型的π-扩展四硫富瓦烯(TTF)衍生物,即N,N’-2(4,5-二苄硫基-1,3-二硫杂环戊烯-2-叶立德)-苯-1,4-二胺(5a)和N,N’-2(4,5-二甲酯基-1,3-二硫杂环戊烯-2-叶立德)-苯-1,4-二胺(5b),并利用氢核磁共振(1H NMR)、质谱(MS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和单晶X射线衍射(XRD)等方法对化合物结构进行了表征.晶体结构分析结果表明,化合物5a和5b分属三斜晶系、P1空间群和单斜晶系、P21/n空间群.化合物5a和5b均为非平面结构分子,分子中对苯二亚胺平面和1,3-二硫杂环平面形成的二面角分别为87.61°(5a)和43.77°(5b).运用Gaussian 09程序,采用密度泛函理论(DFT)方法在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上进行了量子化学计算,对化合物的前线分子轨道、静电势和电子吸收光谱进行了讨论,计算结果与实验值基本一致.     

二氢吲哚类染料用于染料敏化太阳能电池光敏剂的比较

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对四种二氢吲哚染料进行研究, 从中筛选出相对优秀的染料敏化太阳能电池光敏剂. 对前线分子轨道的计算表明, 二氢吲哚染料的前线分子轨道结构非常有利于染料激发态向TiO2电极的电子注入. 对真空中的紫外和可见光吸收光谱的计算表明, 二氢吲哚染料的吸收光谱与太阳辐射光谱匹配较好. 对染料分子的能级计算表明, 二氢吲哚染料的能级结构比较适合于I-/I-3作电解液的TiO2纳米晶太阳能电池的光敏剂. 二氢吲哚染料最低未占据分子轨道(LUMO) 能级均比TiO2晶体导带边能级高, 能够保证激发态染料分子高效地向TiO2电极转移电子. 二氢吲哚染料最高占据分子轨道(HOMO)的能级比I-/I-3能级低, 保证了失去电子的染料分子能够顺利地从电解液中得到电子. 与实验数据比较, 得出在提高染料敏化太阳能电池转换效率方面, 对染料的关键要求是LUMO能级的位置. 染料分子的稳定性是染料敏化太阳能电池使用寿命的关键因素. 通过对化学键键长的比较表明, 二氢吲哚染料的分子稳定性基本相同. 对计算结果的分析表明, 二氢吲哚染料1(ID1)的LUMO能级最高, 分子稳定性最好, 在酒精溶液中的吸收光谱与太阳辐射光谱匹配很好, 在同类染料中是较好的染料敏化太阳能电池光敏剂.     

染料敏化太阳能电池中额外给体引入对经典D-π-A型敏化剂性能影响的理论研究

为了探讨D-D-π-A型染料中双给体对敏化剂性能的影响, 本文结合密度泛函理论(DFT)及含时密度泛函理论(TD-DFT)对染料1~4的几何结构、 电子结构、 吸收光谱、 电化学性质、 电子复合程度以及半导体导带边缘的移动等进行了对比研究. 结果表明, 相比于经典的D-π-A型染料分子1, 在分子2~4(D-D-π-A型双给体染料) 中额外引入给体, 尽管对导带能级移动的改变不是很显著, 但是可以改变体系的共轭程度, 增加染料的光吸收强度. 重要的是, 额外给体的引入可以显著增加染料阳离子空穴-半导体之间的距离, 从而减缓注入电子与染料阳离子的复合; 在额外给体中引入杂原子可以使I₂聚集在染料外侧, 从而降低电解质在半导体表面的局域浓度, 进而减缓注入电子与电解质之间的复合速率. 因此, 通过在经典的D-π-A型染料上引入额外的电子给体构筑D-D-π-A型染料可以有效调节染料的光吸收、 电化学及电子复合等方面的性质, 是设计合成高性能染料的可行策略.     

Theoretical Studies on the Absorption Spectra and Intramolecular Charge Transfer of Push-pull Zinc Porphyrin Dyes for Dye-sensitized Solar Cells

The electronic structures, absorption spectra and intramolecular charge transfer properties of five push-pull zinc porphyrin analogs with different donor group and π bridge have been investigated by density functio- nal theory(DFT) and TD(time-dependent)-DFT approach. The results show that the asymmetrical substituted diphenylamine group is favorable to the Q-band absorption of porphyrin dyes. The absence of the acetylenic bond in the π bridge part leads to the result that the B-band and the Q-band are blue-shifted and their absorption strength become weaker compared with that containing acetylenic bond, respectively. The introduction of the benzothiadiazole into the π bridge improves the intramolecular charge transfer.     

Exploration on Charge Transfer and Absorption Spectra of Spiro[fluorene-9,90-xanthene]-based Polyoxometalate Hybrids Toward High Performance Dye-sensitized Solar Cell

Based on spiro[fluorene-9,90-xanthene](SFX, dye 1), the Lindqvist-type polyoxometalate(POM) functionalized with SFX and its derivatives(dyes 2-4) used in dye-sensitized solar cells(DSSCs) were designed and investigated with the density functional theory(DFT) and time-dependent DFT(TD-DFT) calculations. The results indicate that Lindqvist-type POM is the main contribution to the lowest unoccupied molecular orbital(LUMO) and affects the LUMO energies of dyes 2-4. The maximum absorptions of the designed dyes containing POM(dyes 2-4) are red shifted comparing with that of dye 1. The introduction of electron-donating group onto SFX segment is helpful to red shift the absorption spectra. The major factors affecting the performance of DSSCs, including light harvesting and electron injection were evaluated. Considering the absorption spectra and photovoltaic parameters, dyes 3 and 4 are promising high performance dye sensitizers in n-type DSSCs.