功能材料的设计、组装及其光电性质研究

【摘要】： 本论文主要包括两部分：固态染料敏化纳米晶太阳能电池和金属离子化学传感器。 准固态和固态电解质在染料敏化太阳能电池中的应用 染料敏化纳米晶太阳能电池具有制作简单、价格低廉等特点，是当前纳米技术和光电转换材料研究的热点之一。如何进一步提高染料敏化纳米晶太阳电池的稳定性和光电转换效率是该电池实际应用亟待解决的重大课题。本部分通过引入介孔材料和纳米颗粒构建有机／无机杂化电解质，实现电解质的固化。具体研究包括： 1．我们利用介孔材料的大孔径所形成的网络结构为电子传输提供通道，并用离子液体代替易挥发的有机溶剂。以介孔SiO_2(SBA-15)作为液体电解质的胶凝剂，所形成的准固态凝胶电解质能够较好满足光电转化的要求。其中，液体电解质组成为：x M I_2(x=0.3～0.8M)和0.45 M 1-甲基苯并咪唑(NMBI)，溶剂为1-甲基-3-丙基咪唑碘盐(MPII)。通过加入不同含量的SBA-15得到凝胶电解质。电化学实验筛选出的最佳凝胶电解质的组成为0.5M I_2、0.45 M NMBI，3％wtSBA-15，溶剂为MPII。并将其组装到染料敏化太阳能电池中，得到开路电压为569mV，短路电流为9.1mA·cm~(-2)，填充因子为67％以及4.3％的光电转化效率。SBA-15的引入，提高了电池的稳定性，700小时之后，效率基本保持不变，而液体电解质组装的光电池其光电转化率降低到原来的30％。 2．我们利用分子组装的原理，采用了亲水性的含四氟硼酸根的咪唑室温融盐与表面含羟基的二氧化硅能形成F…O-H氢键且咪唑环之间存在π——π堆积作用形成的网络，并通过变温红外光谱证实了氢键的存在。我们利用这类网络固化液态电解质，得到了固态电解质，并且电解质在高温下(＞80℃)还能保持不流动。将此类电解质用作染料敏化太阳能电池的电解质，发现利用具有氢键网络支架材料的电解质不仅没有影响氧化还原电对的传输，能得到相对高的光电转换效率。优化得到的电解质组成：0.18 M I_2，1.3 M 1-甲基-3-丁基咪唑碘盐(BMI·I)，0.5 M LiI，1 M 4-叔丁基吡啶(TBP)，5wt％SiO_2，溶剂为BMI·BF_4。在常温下，可以得到短路电流为8.0mA cm~(-2)，开路电压为655mV，填充因子为67％，光电转化效率为4.7％的结果。更重要的是，电池在60℃时还保持有5％的光电转化效率。且工作1000小时之后，效率基本保持不变，而液体电解质组装对照的电池仅有最初的30％的效率。 基于脲、硫脲为接受器的金属离子化学传感器 化学传感器具有体积小、费用低、准确等优点，因此受到人们的青睐。如何有效地检测这些重金属阳离子对于生物化学、环境科学以及医学等都有着重大的意义。本部分主要是引入新的检测会属离子的接受器脲和硫脲结构，并通过荧光、紫外等输出信号来识别金属离子。主要包括： 1．通过改变推拉电子基团合成和表征了基于萘脲的5个化合物，通过紫外、荧光光谱研究了其对金属离子的响应。结果表明：当对位连有给电子基团的时候，在溶液中，加入具有氧化性金属离子(如Fe~(3+)，Hg~(2+)，Ag~+，Cu~(2+))，在长波方向会有新的吸收峰，因此可以选择性地识别氧化性金属离子；当对位连有吸电子基团时，对任何金属离子都没有响应；当没有推拉电子基团或2位连有甲氧基时，只对铜离子有选择性识别，荧光发射峰红移。由此可见，取代基的化学结构、位置都对化学传感器有明显地影响。 2．通过改变推拉电子基团合成了3个蒽醌脲化合物，研究了这些化合物的光物理性质以及在阳离子存在下的光物理性质。实验结果表明，对位含有硝基的蒽醌脲的化合物对汞离子有选择性识别。加入汞离子后，光谱发生了60nm的红移，可以“肉眼”检测。并且通过对比实验初步探讨产生现象的原因。 3．合成了2个蒽醌硫脲化合物，研究了化合物以及在阳离子存在下的光物理性质。实验结果表明，对位含有硝基和不含硝基的蒽醌硫脲化合物的吸收光谱基本相同，对金属离子的检测行为也基本一致。2个蒽醌硫脲化合物均能通过肉眼检测Hg~(2+)和Ag~+。加入Hg~(2+)后，发生了58nm的蓝移；有Ag~+存在时，458nm的吸收减弱，550nm的吸收增强。并且通过对比实验和~1HNMR可知，化合物对Hg~(2+)和Ag~+作用的位置并不一样。