铜基光敏染料的设计合成与光转换性能研究

As one of the renewable energy sources, solar energy has been got increasing concerns. However, the efficient conversion of soalr energy to chemical energy or electric energy reminds one of the biggest challenges both in academic and industry. In this project, the structure effect of mixed-ligand Cu complexes as photosensitizers in the homogenerous water splitting as well as heterogenerous dye-sensitized solar cells will be systemically investigated, based on these Cu complexes displayed a better photo conversion property than noble-metal photosensitizers's. Novel phosphor ligands with electric donor group, and new nitrogen ligands with electric accepter group will be designed and synthesized. Further studies will focus on the explaination of the results from water splitting by analyzing the photo physical property and the structure of Cu complexes. Futhermore, the Cu complexes added varily link groups will be loaded on semiconductor material to study the electon transfer from dye to the semiconductor material surface. The above working aims at obtainning high-efficiency, long-lifetime, low-cost and environmentally-friendly copper photosensitizers. Finally the understanding of the nature of copper photosensitizers will promote them further application in the solar energy industry.

太阳能是未来新能源的主要来源之一，而如何实现光能最大限度的有效转换是当今全球科学家研究热点和难点。本项目基于铜基氮磷杂配络合物具有超越贵金属染料的光转化效率的前期工作基础上提出，以均相光解水为光化学转换测试平台，以染料敏化太阳能电池为光电转换测试平台，系统研究铜基配合物在光能转化中的构效关系与能量转换本质。通过系统设计合成具有推拉电子结构的配体，在均相光解水中研究铜基配合物结构对制氢性能的影响，同时借助其结构解析、理论计算与光物理性能研究，深入理解配体结构在光能转化中的作用；通过设计拼接各种链接官能团使其负载于半导体表面，在染料敏化太阳能电池中进行光电转换性能测试和电子转移过程研究，揭示铜基光敏染料与半导体之间的电子传输性质。该研究以高效、长寿命、低成本、环境友好的铜基光敏染料的开发与理论研究为目的，促进其在光化学转换和光电转换的实际应用，为实现太阳能产业化提供理论和技术支撑。

太阳能是未来新能源的主要来源，如何实现光能最大限度转换成可存储的化学还是目前科学界一大挑战。项目以杂配铜络合物光敏剂为研究对象，设计开发了5类结构新颖的菲咯啉配体、2类PNNP四齿配体以及3种菲咯啉-二茂铁共聚高分子光敏染料。通过均相光催化水还原制氢平台，系统研究这些新配体在铜光敏剂中的构效关系，同时结合含时密度泛函理论计算，解释这些新配体对铜杂配络合物的激发态性能的影响。再通过光物理化学性能和光催化机理研究，清晰地展示了铜光敏染料的结构影响因素及其光催化过程，形成了设计合成-光催化评价-光物理化学表征-理论研究与评价的完整研究体系，铜基光敏剂光催化制氢TON已从804提高至1530，为学术界研究非贵金属光敏染料及其光催化产氢性能提供很好的理论支撑。在Chem. Eur. J、ChemCatChem、Dyes Pigments等高影响力期刊发表SCI论文6篇，研究成果已申请国家发明专利5件（获授权一件）。中德国际合作交流6人次，参加学术会议15人次，培育硕士研究生7人，博士研究生1人。