功能材料的設(shè)計(jì)、組裝及其光電性質(zhì)研究.pdf

1、本論文主要包括兩部分：固態(tài)染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池和金屬離子化學(xué)傳感器。 準(zhǔn)固態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用 染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池具有制作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，是當(dāng)前納米技術(shù)和光電轉(zhuǎn)換材料研究的熱點(diǎn)之一。如何進(jìn)一步提高染料敏化納米晶太陽(yáng)電池的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率是該電池實(shí)際應(yīng)用亟待解決的重大課題。本部分通過引入介孔材料和納米顆粒構(gòu)建有機(jī)／無機(jī)雜化電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)的固化。具體研究包括： 1．我們利

2、用介孔材料的大孔徑所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為電子傳輸提供通道，并用離子液體代替易揮發(fā)的有機(jī)溶劑。以介孔Si02(SBA．15)作為液體電解質(zhì)的膠凝劑，所形成的準(zhǔn)固態(tài)凝膠電解質(zhì)能夠較好滿足光電轉(zhuǎn)化的要求。其中，液體電解質(zhì)組成為：xMb(x=O．3~O．8M)和0．45M1一甲基苯并咪唑(NMBI)，溶劑為1一甲基一3一丙基咪唑碘鹽(MPII)。通過加入不同含量的SBA一15得到凝膠電解質(zhì)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)篩選出的最佳凝膠電解質(zhì)的組成為0．5M12、0．

3、45MNMBI，3％wtSBA一15，溶劑為MPII。并將其組裝到染料敏化太陽(yáng)能電池中，得到開路電壓為569mV，短路電流為9．1mA．cm-2，填充因子為67％以及4．3％的光電轉(zhuǎn)化效率。SBA一15的引入，提高了電池的穩(wěn)定性，700小時(shí)之后，效率基本保持不變，而液體電解質(zhì)組裝的光電池其光電轉(zhuǎn)化率降低到原來的30％。 2．我們利用分子組裝的原理，采用了親水性的含四氟硼酸根的咪唑室溫融鹽與表面含羥基的二氧化硅能形成F-．．O-H

4、氫鍵且咪唑環(huán)之間存在?！６逊e作用形成的網(wǎng)絡(luò)，并通過變溫紅外光譜證實(shí)了氫鍵的存在。我們利用這類網(wǎng)絡(luò)固化液態(tài)電解質(zhì)，得到了固態(tài)電解質(zhì)，并且電解質(zhì)在高溫下(>80。C)還能保持不流動(dòng)。將此類電解質(zhì)用作染料敏化太陽(yáng)能電池的電解質(zhì)，發(fā)現(xiàn)利用具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)支架材料的電解質(zhì)不僅沒有影響氧化還原電對(duì)的傳輸，能得到相對(duì)高的光電轉(zhuǎn)換效率。優(yōu)化得到的電解質(zhì)組成：0．18M12，13M1．甲基．3．丁基咪唑碘鹽(BMI．I)，0．5MLiI，1M4一叔丁基吡啶

5、(TBP)，5wt％Si02，溶劑為BMI．BF4。在常溫下，可以得到短路電流為8．0mAcm-2，開路電壓為655mV，填充因子為67％，光電轉(zhuǎn)化效率為4．7％的結(jié)果。更重要的是，電池在60。C時(shí)還保持有5％的光電轉(zhuǎn)化效率。且工作1000小時(shí)之后，效率基本保持不變，而液體電解質(zhì)組裝對(duì)照的電池僅有最初的30％的效率。 基于脲、硫脲為接受器的金屬離子化學(xué)傳感器 化學(xué)傳感器具有體積小、費(fèi)用低、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此受到人們的青睞。

6、如何有效地檢測(cè)這些重金屬陽(yáng)離子對(duì)于生物化學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及醫(yī)學(xué)等都有著重大的意義。本部分主要是引入新的檢測(cè)金屬離子的接受器脲和硫脲結(jié)構(gòu)，并通過熒光、紫外等輸出信號(hào)來識(shí)別金屬離子。主要包括： 1．通過改變推拉電子基團(tuán)合成和表征了基于萘脲的5個(gè)化合物，通過紫外、熒光光譜研究了其對(duì)金屬離子的響應(yīng)。結(jié)果表明：當(dāng)對(duì)位連有給電子基團(tuán)的時(shí)候，在溶液中，加入具有氧化性金屬離子(女life3+，Hg2+，Ag+，Cu2+)，在長(zhǎng)波方向會(huì)有新的吸收峰

7、，因此可以選擇性地識(shí)別氧化性金屬離子；當(dāng)對(duì)位連有吸電子基團(tuán)時(shí)，對(duì)任何金屬離子都沒有響應(yīng)；當(dāng)沒有推拉電子基團(tuán)或2位連有甲氧基時(shí)，只對(duì)銅離子有選擇性識(shí)別，熒光發(fā)射峰紅移。由此可見，取代基的化學(xué)結(jié)構(gòu)、位置都對(duì)化學(xué)傳感器有明顯地影響。 2．通過改變推拉電子基團(tuán)合成了3個(gè)葸醌脲化合物，研究了這些化合物的光物理性質(zhì)以及在陽(yáng)離子存在下的光物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)位含有硝基的葸醌脲的化合物對(duì)汞離子有選擇性識(shí)別。加入汞離子后，光譜發(fā)生了60nm

8、的紅移，可以“肉眼”檢測(cè)。并且通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)初步探討產(chǎn)生現(xiàn)象的原因。 3．合成了2個(gè)葸醌硫脲化合物，研究了化合物以及在陽(yáng)離子存在下的光物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)位含有硝基和不含硝基的葸醌硫脲化合物的吸收光譜基本相同，對(duì)金屬離子的檢測(cè)行為也基本一致。2個(gè)葸醌硫脲化合物均能通過肉眼檢測(cè)Hg2+和Ag+。加入Hg2+后，發(fā)生了58nm的藍(lán)移：有Ag+存在時(shí)，458nm的吸收減弱，550nm的吸收增強(qiáng)。并且通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和1HNMR可知，化