平面双核席夫碱锌酞菁的合成与性能

摘要

染料敏化太阳能电池(dye sensitized solar cell, DSSC)具有低成本、高效率、无污染等特点。它由染料、纳米多孔膜、电解质和对电极构成。光敏染料负载在纳米多孔半导体电极上吸收太阳能，并将激发态电子注入纳米半导体导带，这是DSSC的关键组成部分。
　　酞菁(phthalocyanine, Pc)是分子结构类似叶绿素和血红素的大环共轭化合物。其可见光吸收较好，化学热性能稳定，合成成本低，结构可修饰性强。独特的光物理与电化学性能使得酞菁在影印、液晶、传感器、发光二级光、光疗、太阳能电池等诸多领域受到人们的广泛关注。无取代酞菁溶解性差、难成膜、易集聚，限制了酞菁的应用(例如限制了DSSC的光电转化效率)。在酞菁大分子环上引入不同的有机取代基可以明显改变性能。本文合成了6种两大类新型平面双核席夫碱锌酞菁光敏染料。引入不同的取代基改变不对称单核酞菁分子结构，席夫碱反应连接形成共平面的双核锌酞菁，提高光电性能。
　　采用4-硝基邻苯二甲腈分别与对羟基苯甲酸、α-萘酚、β-萘酚、8-羟基喹啉、异丙醇、叔丁醇制备相应的邻苯二甲腈类衍生物；4-硝基邻苯二甲腈、邻苯二甲腈类衍生物和醋酸锌在1,8-二氮杂环[5,4,0]十一碳-7-烯(DBU)的催化下合成含硝基的不对称单核锌酞菁；还原制备相应的氨基酞菁；氨基酞菁与对苯二甲醛形成新型席夫碱平面双核锌酞菁：9(10),16(17),23(24)-三对羧基苯氧基-2(3)-对苯甲亚胺基双核锌酞菁(bi-CPc),9(10),16(17),23(24)-三-α-萘氧基-2(3)对苯甲亚胺基双核锌酞菁(bi-α-NPc)，9(10),16(17),23(24)-三-β-萘氧基-2(3)-对苯甲亚胺基双核锌酞菁(bi-β-NPc)，9(10),16(17),23(24)-三-8-喹啉氧基-2(3)-对苯甲亚胺基双核锌酞菁(bi-QPc)，9(10),16(17),23(24)-三异丙氧基-2(3)-对苯甲亚胺基双核锌酞菁(bi-IPc)，9(10),16(17),23(24)-三叔丁氧基-2(3)-对苯甲亚胺基双核锌酞菁(bi-TPc)。
　　对合成的6种席夫碱平面双核锌酞菁进行红外光谱、紫外-可见光谱、元素分析和核磁共振氢谱表征，比较它们在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液的紫外-可见光谱。结合紫外-可见光谱图、循环伏安曲线、差分脉冲曲线，确定6种平面双核席夫碱锌酞菁的基态氧化电位和激发态电位能级位置，分别测量其组装的DSSC的光伏性能。
　　结果表明，相比于无取代锌酞菁(仅能在二甲基亚砜(DMSO)和DMF部分溶解)，本文合成的6种平面双核席夫碱锌酞菁在能较好地溶解于苯、氯仿、丙酮都有较好的溶解性；6种平面双核席夫碱锌酞菁染料敏化剂在DMF溶液中UV-Vis光谱的Q带最大吸收峰大约在670-690 nm处；其激发态能级范围在-0.87 V~-0.99 V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：0.774％，0.682%，0.905%，0.734%，0.564%，0.632%，得到了一定的的光电性能。

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1绪论

1.1 酞菁的简介

1.2 酞菁性质

1.3 单核酞菁的合成

1.4 酞菁在DSSC中的应用

1.5 双核酞菁的分类

1.6 双核酞菁的基本合成方法

1.7 双核金属酞菁的应用

1.8 选题依据设、计方案及研究内容

2 含芳环双核席夫碱锌酞菁类化合物的合成

2.1 引言

2.2 试剂与仪器

2.3 前驱体的合成与表征

2.4 不对称单核硝基锌酞菁的合成与表征

2.5 不对称单核氨基锌酞菁的合成与表征

2.6 平面双核席夫碱锌酞菁的合成与表征

2.7 纳米TiO2薄膜的制备

2.8 对电极的制备

2.9 染料敏化太阳能电池的组装

2.10 小结

3 含芳环双核席夫碱锌酞菁类化合物性能研究

3.1 引言

3.2 含芳环平面双核席夫碱锌酞菁的红外光谱图

3.3 UV-Vis吸收光谱

3.3 氧化还原性质

3.4 光电性能

3.5 小结

4 含烷氧基双核席夫碱锌酞菁类化合物的合成

4.1 引言

4.2 试剂与仪器

4.3 前驱体的合成与表征

4.4 不对称单核硝基锌酞菁的合成与表征

4.5 不对称单核氨基锌酞菁的合成与表征

4.6 平面双核席夫碱锌酞菁的合成与表征

4.7 小结

5含烷氧基双核席夫碱锌酞菁类化合物性能研究

5.1 UV-Vis光谱

5.2 氧化还原性质

5.3 光电性能

5.4 小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢