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基本信息

項(xiàng)目名稱：
染料敏化太陽(yáng)能電池方酸菁光敏染料的合成及性能研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本課題首先合成染料中間體（N-對(duì)羧基芐基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸鉀），設(shè)計(jì)合成了方酸菁染料，并通過(guò)色譜柱分離提純產(chǎn)品，得到不對(duì)稱方酸菁染料。通過(guò)氫核磁共振、質(zhì)譜和紅外光譜確認(rèn)了該染料的結(jié)構(gòu)；研究了產(chǎn)品的紫外-可見(jiàn)吸收、熒光發(fā)射光譜性能；進(jìn)行了光電性能的測(cè)試。
詳細(xì)介紹：
本課題設(shè)計(jì)合成了新型不對(duì)稱方酸菁染料，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是分子中的吲哚環(huán)氮位上含對(duì)羧芐基。以全氯丁二烯為原料，以嗎啉為催化劑經(jīng)環(huán)合、酸化合成得到方酸，將其與N位含對(duì)羧芐基的吲哚啉和N位含甲基的吲哚啉縮合得到不對(duì)稱方酸菁染料；用硅膠色譜柱分離提純產(chǎn)品，并討論了洗脫劑的配比，其中當(dāng)正丁醇：吡啶：水的體積比為3.5:0.9:1時(shí)分離效果最佳。通過(guò)氫核磁共振、質(zhì)譜和紅外光譜確認(rèn)了染料的結(jié)構(gòu)；研究了產(chǎn)品的紫外-可見(jiàn)吸收、熒光發(fā)射光譜性能，產(chǎn)品水溶液的紫外-可見(jiàn)光最大吸收波長(zhǎng)為622 nm，熒光發(fā)射最大波長(zhǎng)為636 nm；用SQ2配制成濃度≥7×10-4 mol·L-1敏化涂有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃，制備成光陽(yáng)極，和碳電極組成光電轉(zhuǎn)換裝置。氙燈光的照射下測(cè)得光電壓為93.8 mV，光電流為0.17mA，而沒(méi)有敏化的電池測(cè)得光電壓為3.71 mV，光電流為0.01mA。

作品圖片

  • 染料敏化太陽(yáng)能電池方酸菁光敏染料的合成及性能研究
  • 染料敏化太陽(yáng)能電池方酸菁光敏染料的合成及性能研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為關(guān)系人類健康和可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題，而太陽(yáng)能作為清潔的能源可以替代目前相對(duì)污染較大的化石能源。目前，對(duì)太陽(yáng)能的利用形式主要是太陽(yáng)能電池。染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池因其制作方法簡(jiǎn)單，成本較低，研究空間較大，科研工作者通過(guò)對(duì)各種各樣的有機(jī)染料和半導(dǎo)體聚合物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵是染料的選擇。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

由于硅系列太陽(yáng)能電池和化合物太陽(yáng)能電池成本居高不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求，而染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池因其制作方法簡(jiǎn)單，成本較低，越來(lái)越受到人們的重視?？蒲泄ぷ髡甙l(fā)現(xiàn)染料的最大吸收波長(zhǎng)幾乎涵蓋了可見(jiàn)光的全部范圍，材料選擇余地較大，易達(dá)到價(jià)廉的目標(biāo)。因此，染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵是染料的研發(fā)。本課題通過(guò)方酸與供電子基團(tuán)發(fā)生縮合反應(yīng)，得到方酸菁染料。反應(yīng)過(guò)程得到N-對(duì)羧芐基。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

太陽(yáng)能相對(duì)于其它能源來(lái)說(shuō)具有許多不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。目前，對(duì)太陽(yáng)能的利用形式主要是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池包括硅系列太陽(yáng)能電池、化合物太陽(yáng)能電池 、染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池。由于硅系列太陽(yáng)能電池和化合物太陽(yáng)能電池成本居高不下，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求，而染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池因其制作方法簡(jiǎn)單，成本較低，越來(lái)越受到人們的重視。本課題研究不對(duì)稱方酸菁染料用作染料太陽(yáng)能電池的敏化劑。

學(xué)術(shù)論文摘要

目前，對(duì)無(wú)污染能源太陽(yáng)能的利用形式主要是太陽(yáng)能電池，而最有研究意義的染料敏化太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵是新型染料的研發(fā)。因此對(duì)具有低成本，低污染，制作方法簡(jiǎn)單的方酸菁染料的研究具有重要的意義。本課題以所合成的方酸縮合劑和染料中間體、N-對(duì)羧基芐基-2，3，3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸鉀為原料，以一步法合成得到不對(duì)稱方酸菁染料，運(yùn)用薄層色譜法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分析與分離。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)質(zhì)譜和核磁共振譜得到初步確認(rèn)。經(jīng)熒光光譜和紫外光譜檢測(cè)，最大紫外吸收波長(zhǎng)為619nm,最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)為634nm。因此，研究并提高菁染料的光穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

獲獎(jiǎng)情況

本作品在燕山大學(xué)第十五屆“世紀(jì)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng) 本作品在2011河北省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)

鑒定結(jié)果

無(wú)

參考文獻(xiàn)

1 車慶林,彭孝軍.方酸的合成進(jìn)展.合成化學(xué) 2000,8(1) 2 賀鋒濤,馮曉強(qiáng),張東玲,王蘭英,侯洵.三甲川菁染料綠光高密度光存儲(chǔ)研究.激光技術(shù).2004,28(5) 3 張莉,楊邁之,高恩勤,喬學(xué)斌,郝彥忠,王艷琴,蔡生民.五甲川菁染料的敏化作用及其在 Gr¨atzel 型太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào).2000,21 4 楊松杰,田禾.菁染料光穩(wěn)定性研究進(jìn)展.感光科學(xué)與光化學(xué).1999,17(3) 5 王繼東,王麗秋.菁染料的研究進(jìn)展.廣東化工.2007,34(2) 6 楊松杰,孟凡順,陳孔常,田禾,汪文瑋.菁染料和份菁染料的合成及其溶液的光穩(wěn)定性研究.感光科學(xué)與光化學(xué).2001,19(3) 7 俞開(kāi)潮,金玲,程紅.七甲川花菁染料的研究進(jìn)展.合成化學(xué). 　 8 王劍,王榮仙,郭鵬.苯并吲哚三甲川花菁染料的微波合成.武漢大學(xué)學(xué)報(bào).2005,51(6) 9 楊小兵,丁松濤,楊裕生,周曉海.近紅外激光防護(hù)染料.有機(jī)化學(xué). 2002,22（1）： 33～41 10 車慶林,彭孝軍.方酸菁類功能染料及應(yīng)用.染料工業(yè).1999,36 (2)： 8～14

同類課題研究水平概述

1856年Williamsf發(fā)現(xiàn)了菁染料(亦稱花菁)，十七年后，Vogel發(fā)現(xiàn)該類染料具有異常靈敏的感光能力，從此菁染料得到迅速發(fā)展。方酸菁染料最早涉入的領(lǐng)域之一是有機(jī)太陽(yáng)能電池研究方。1991年，Gratzel領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出用羧酸聯(lián)吡啶釕(II)染料敏化的二氧化鈦納米晶多孔膜作為光電陽(yáng)極的化學(xué)太陽(yáng)能光電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到7.1％-7.9％，接近了多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，但成本僅為硅光電池的1/10-1/5 。幾年后，該小組又將光電轉(zhuǎn)換效率提高到10％ 。由于染料在染料敏化太陽(yáng)能電池中的重要性，近幾年，對(duì)于新型染料的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。菁染料共軛鏈兩端或中間連有雜環(huán)、芳環(huán)化合物、環(huán)烯化合物等，與共軛鏈組成一個(gè)大的π共軛體系，分子內(nèi)部的氫原子可被一定數(shù)目的各類取代基取代，其吸收光譜可通過(guò)改變甲川鏈的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)，摩爾消光系數(shù)很大，是重要的合成染料。近年來(lái)，激發(fā)波長(zhǎng)在近紅外區(qū)的半導(dǎo)體二極管激光器在生產(chǎn)和科研中得到了廣泛的應(yīng)用，這使得與之相匹配的近紅外吸收染料成為功能染料研究的熱點(diǎn)之一在諸多近紅外染料品種中，方酸菁染料以其優(yōu)異的光學(xué)性能，良好的光熱穩(wěn)定性倍受青睞。近十年來(lái)，每年都有大量專利和文獻(xiàn)報(bào)道其應(yīng)用研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)方酸菁染料的合成及應(yīng)用研究方興未艾，這類染料具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和研究前景。
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