新型染料的合成及其在染料敏化太陽能電池和二氧化碳還原中的應(yīng)用研究.pdf

1、到目前為止，全球每年的能源消耗大約在10TW；到2050年，能源消耗將增加至30TW。為了維持大氣中二氧化碳的濃度，額外的20TW能量則將由清潔能源彌補(bǔ)。因此，在過去幾十年中，為了尋求能源消耗和氣候變化兩者之間的平衡，各國都對(duì)新能源展開一系列的研究。太陽能作為一種分布廣泛、資源豐富、環(huán)境友好、綠色環(huán)保和可持久利用的清潔能源而備受各國關(guān)注。光電轉(zhuǎn)換以及光化學(xué)轉(zhuǎn)換是太陽能利用的主要形式。染料敏化太陽能電池是新一代的太陽能電池，其以工藝簡單、

2、成本低、材料來源廣泛，可大面積制備等優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)太陽能電池的發(fā)展方向。此外，將二氧化碳還原和敏化二氧化鈦聯(lián)合應(yīng)用合成高能化合物是太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)化，這種技術(shù)太陽利用的另一種形式。敏化劑在光轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中吸收太陽光并引發(fā)最初的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，是整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分。合成優(yōu)良的敏化劑對(duì)太陽能光轉(zhuǎn)化有著極為重要的意義。
　　本論文通過合成新型配合物作為光敏化劑，并將其應(yīng)用到太陽能人工利用中。而關(guān)于光敏劑則關(guān)于一下四部分
　　（1）Salen型

3、金屬化合物是類卟啉化合物，將這種金屬配合物應(yīng)用于太陽能電池中，是對(duì)卟啉類太陽能電池的補(bǔ)充。我們合成了6種敏化劑，并對(duì)其進(jìn)行光伏響應(yīng)、單色光轉(zhuǎn)換效率、光電轉(zhuǎn)化等性能進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)供體部分的長鏈從0增至8時(shí)，光伏性能有極大的提升；而當(dāng)引入第二個(gè)COOH時(shí)，由于提高了染料和二氧化鈦的接觸面積，進(jìn)而增大了電子注入效率，所以光伏性能又有大幅提升。
　　（2）對(duì)于敏化劑來說，為了保證電子在敏化劑中傳遞的方向性，合成不對(duì)稱的Salen型化合物是非

4、常有必要的。通過對(duì)這四種敏化劑進(jìn)行光伏響應(yīng)、單色光轉(zhuǎn)換效率、光電轉(zhuǎn)化等性能進(jìn)行測(cè)試，其光電性能皆優(yōu)于對(duì)稱Salen型化合物。
　?。?）卟啉及其衍生化合物廣泛存在于生物體內(nèi)和能量轉(zhuǎn)移的相關(guān)的重要細(xì)胞器內(nèi)。前人通過仿生葉綠素 Chlorophy Ⅱ?qū)⑦策\應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中。為了增加電子從染料到 TiO2的傳輸通道，合成多齒錨定基團(tuán)的染料顯得非常必要。我們通過合成5種卟啉染料，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，具有多齒錨定基團(tuán)的卟啉染料顯示

5、出優(yōu)良的光伏性能，與傳統(tǒng)的以羧酸為錨定基團(tuán)的染料相比，具有明顯的增強(qiáng)作用。密度泛函理論計(jì)算和電化學(xué)阻抗顯示，三齒錨定模式可提供更多電子傳輸途徑，優(yōu)化電子向TiO2薄膜注入效率。
　?。?）人工光合作用是利用太陽能的另一種方式。它將太陽能的利用和溫室氣體治理來實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)施。在本章中，課題組模擬綠葉光合作用系統(tǒng)，開發(fā)了一種人工光合作用系統(tǒng)（Pd/NRx@TiO2)·Co-Pi/W:BiVO4）：有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料作為光陰極，模擬

6、光系統(tǒng) Ⅰ；Co-Pi/W:BiVO4作為光陽極，模擬光系統(tǒng)Ⅱ。在200mW/cm2的模擬太陽光的照射下，給以0.6V的電壓，人工光系統(tǒng)產(chǎn)甲醇的速率達(dá)到106.4μM h·1 cm-2。順磁共振實(shí)驗(yàn)（EPR）則表明羥基自由基是重要的中間體，并為實(shí)驗(yàn)機(jī)理猜測(cè)提供基礎(chǔ)。此外，通過13CO2的同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光系統(tǒng)所產(chǎn)甲醇的碳源皆來源于二氧化碳。而氧十八（H2O18）的同位素標(biāo)記表明光系統(tǒng)產(chǎn)生了氧氣。實(shí)現(xiàn)了光電聯(lián)合催化CO2還原和光解水反