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高光学活性卟啉衍生物光学性能的理论及应用研究

高云静  
【摘要】:卟啉是以卟吩作为母体的化合物,是卟吩环的同系物和衍生物加上不同取代基的通称。卟啉是一种具有芳香性的16中心18电子大π共轭体系。当卟啉中心氮的两个质子被金属离子取代时,形成金属卟啉络合物,该化合物广泛存在于自然界中。由于卟啉分子具有独特的结构、较低的能级差、稳定的理化性质和良好的光敏性能,已成功应用于荧光分析、电化学发光分析、光电材料以及太阳能电池等众多领域。近年来,染料敏化太阳能电池发展迅速,应用广泛。但其较低的转化效率使其实际应用受到不同程度的限制。研究表明,提高其光转化效率的因素主要有太阳光强、敏化剂、电解液和电池材料。提高其光转化效率的有效手段之一是设计具有良好性能的敏化剂分子。在众多不同种类的敏化剂中,卟啉类化合物以其优良的光学性能备受关注。在选择具体敏化剂时,敏化剂分子设计工作量较大,量化计算方法有助于敏化剂设计和评估太阳能器件的性能。密度泛函理论(DFT)可计算基态和激发态的性质,分析分子轨道和电荷密度分布,并表征敏化剂的吸收光谱。通过计算Voc和Jsc等相关参数,筛选出具有优异光电性能的D-π-A敏化剂,该系列工作可为研究太阳能电池的光转换效率提供理论支持。荧光检测技术因具有操作简单,灵敏度高且耗时短等优点,受到广泛关注。本文将荧光检测技术与量化计算相结合,研究了卟啉类化合物的光学性质。主要工作分为以下几个部分:第一章本章综述了卟啉化合物的结构、合成方法以及在日常生活中的应用。阐述了荧光分析法的背景及应用,并介绍了卟啉在太阳能电池中作为敏化剂的应用研究。同时介绍了密度泛函理论的原理、发展及应用。第二章本章采用含时密度泛函理论(TD-DFT)和DFT方法,研究了7种供体由烷基链单元包裹且受体由膦酸或羧酸取代的新型卟啉敏化剂。将不同种类及数量的锚定基团(膦酸或羧酸)放置在不同的取代位置上,根据它们的前线分子轨道能量和光吸收情况,对敏化剂的光电化学性能进行了讨论。并与已知的TPP进行了比较。第三章在第二章相关内容的研究基础上,设计了7种具有D-π-A序列的染料敏化剂。通过DFT方法研究了不同取代基卟啉染料分子的基态结构与性质。通过TDDFT方法研究了激发态卟啉染料分子的结构与性质,并研究了不同取代基对卟啉类敏化剂轨道的能量和电荷分离状态的影响。依据开路光电压(J_(SC))和短路电流密度(V_(OC))的相关参数,计算了不同π桥分子轨道能级变化对染料性能的影响,π桥的引入使敏化剂具有更宽的吸收带和易于分离的分子内电荷。同时筛选出了合适的π桥作为卟啉类敏化剂候选体,设计了一种既高效又稳定的新型卟啉敏化剂。第四章设计了基于“Turn off”型的5,10,15,20-(4-磺酸苯基)卟啉-Fe~(2+)荧光探针,用于实际样品中过氧化氢和葡萄糖的检测。改进了TPPS_4的合成方法,使其合成工艺更环保,产率更高。通过核磁共振、傅立叶变换红外光谱和紫外吸收光谱等表征,证明了TPPS_4的成功制备。然后,利用TPPS_4的良好荧光特性,构建了检测过氧化氢(H_2O_2)和葡萄糖(C_6H_(12)O_6)的灵敏荧光传感器。最后,结合DFT方法从理论角度分析了不同价态铁卟啉的结构性能,进一步解释了为什么在实验中采用二价铁与卟啉形成探针而不用三价铁。同时,对检测过程中的荧光猝灭机理进行了分析。


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