六氮杂酞菁的合成及性能研究

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染料敏化剂是染料敏化太阳能电池组件中的关键材料,敏化剂的分子设计成为设计优良光敏染料重要标准。D-A-π-A类光敏染料具有调控分子能级轨道,避免能级浪费和提高光稳定性等优点。氮杂类酞菁与酞菁类化合物类似,在紫外光区和红光/近红光区有良好的光谱吸收。本文成功合成了四种六氮杂酞菁锌,旨在拓展酞菁分子的分子结构,优化其光电性能。  由糠偶酰、噻吩偶酰、苯偶酰,4,4-二甲基苯偶酰与二氨基马来腈脱水缩合合成吡嗪环制得了2,3-二腈-5,6-二呋喃吡嗪(Pyz-1)、2,3-二腈-5,6-二噻吩吡嗪(Pyz-2)、2,3-二腈-5,6-二苯基吡嗪(Pyz-3)、2,3-二腈-5,6-二(4-甲基苯)吡嗪(Pyz-4)。Pyz-1、Pyz-2、Pyz-3、Pyz-4分别与4-硝基邻苯二甲腈利用不同的反应条件得到,得到2-氨基-9,10,16,17,23,24-六呋喃-六氮杂酞菁锌(Ami-1)、2-氨基-9,10,16,17,23,24-六噻吩-六氮杂酞菁锌(Ami-2)、2-氨基-9,10,16,17,23,24-六苯基-六氮杂酞菁锌(Ami-3)、2-氨基-9,10,16,17,23,24-六(4-甲基苯)-六氮杂酞菁锌(Ami-4)。Ami-1、Ami-2、Ami-3、Ami-4分别与对甲酰基苯甲酸反应得到最终产物:2-(4-羧基-苯甲亚胺基)-9,10,16,17,23,24-六呋喃-六氮杂酞菁锌(TPP-1)、2-(4-羧基-苯甲亚胺基)-9,10,16,17,23,24-六噻吩六氮杂酞菁锌(TPP-2)、2-(4-羧基-苯甲亚胺基)-9,10,16,17,23,24-六苯基-六氮杂酞菁锌(TPP-3)、2-(4-羧基-苯甲亚胺基)-9,10,16,17,23,24-六(4-甲基苯基)-六氮杂酞菁锌(TPP-4)。通过红外光谱,紫外-可见光谱,元素分析和核磁共振氢谱等方法表征这四种锌酞菁化合物的结构,所合成的化合物结构与设计结构一致。  在DMF溶液中,分析了四种六氮杂酞菁锌的紫外-可见光谱研究其吸光性能。与Ami-1~Ami-4相比,TPP-1~TPP-4的Q带吸收分别红移了12nm、10nm、9nm、12nm,Q带的最大摩尔消光系数略有降低。研究不同取代基发现,TPP-1、TPP-2比TPP-3、TPP-4的Q带最大吸收峰红移更为明显,由于杂原子环具有更多的孤对电子。相比于无取代酞菁,四种六氮杂酞菁在400~500nm均出现了中等强度的光谱吸收。测定四种目标分子的不同浓度下的紫外可见光光谱研究其聚集性,说明在该溶度范围内,TPP-1、TPP-2、TPP-3、TPP-4均主要以单体形式存在,没有发生聚集。  通过循环伏安法研究六氮杂酞菁锌的电化学性能,四种六氮杂酞菁锌,具有相似的循环伏安曲线。根据循环伏安曲线计算六氮杂酞菁的LUMO和HOMO能级,结果表明六氮杂酞菁锌的LUMO能级均比纳米TiO2导带能级高0.5~0.6V左右,可以为激发态电子注入提供动力,同时又可以避免能级轨道过高造成浪费;六氮杂酞菁锌的HOMO能级比电解液I-/I-3的能级低,能够抑制电子复合并使染料再生。
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