二维配位聚合物单(少)层的制备及其光电转化性能的研究

In the proposal, we attempt to synthesize bulk and few-layered two-dimensional (2D) coordination polymers. Their band structures and density of states (DOS) are obtained via density functional theory calculations, and cyclic voltammograms (CVs), electrochemical impedance spectroscopies (EISs) and Mott–Schottky curves will be measured in an attempt to explore the relationship between the structural characteristics and the redox properties as well as energy bands of the 2D coordination polymers, to compare the electron conductivities, redox properties, flat-band potentials and HOMO/LUMO energy levels between the few- layered and the bulk 2D coordination polymers. Their electrochemical behaviors will be investigated in the absence and presence of light irradiation in order to discuss the effects of the differences of the surfaces and band structures derived by the atomic thickness of the few-layered 2D coordination polymers on their photovoltaic properties. Based on density functional theory calculations, the bulk or few- layered 2D coordination polymers are deposited on the surfaces of the semiconductors with matched HOMO/LUMO energy levels to form composite materials, and their electrochemical behaviors are investigated with and without light irradiation. It is attempted to explore the contribution of each individual component in the composite materials to the photoelectric conversion performance, and to reveal the synergetic effects of the individual components in the composites. It can provide significant data for the applications of the few-layered 2D coordination polymers in the photovoltaic field.

本项目拟合成二维配位聚合物的体相和寡层，用密度泛函理论计算其能带结构和态密度；通过循环伏安、电化学阻抗以及Mott–Schottky曲线等的测试，探索二维配位聚合物的结构特征与氧化-还原性能及能带之间的构效关系，比较寡层和体相二维配位聚合物导电性、氧化-还原性能、平带电位和HOMO/LUMO能级的不同。测试有无光照下寡层和体相二维配位聚合物的电化学数据，研究寡层二维配位聚合物的原子级厚度所引起的表面和能带结构的变化对其光电转化性能的影响。根据密度泛函理论计算结果，把体相或寡层二维配位聚合物与HOMO/LUMO能级匹配的半导体材料复合，测试有无光照下的电化学数据，研究复合材料中每种单一组分对体系光电转换的贡献，探讨复合材料中各组分的协同效应，积累有意义的参考数据，为二维配位聚合物在光电领域的实际应用打下基础。

能源危机和环境污染是当前人类社会所面临的两大难题。开发新的、无污染、可再生的能源以及合理有效地利用这些新能源是一项关系到人类社会可持续发展的重大任务。太阳能-化学能-电能的转化能把取之不尽，用之不竭的太阳光能合理利用起来，具有重要的现实意义。本项目合成了多个新型的二维配位聚合物(CPs)，新型的无机-有机杂化材料，同时以配位聚合物为前驱体，合成了多种异质结构，用密度泛函理论(DFT)计算了它们的能带结构和态密度；通过循环伏安、电化学阻抗以及Mott–Schottky曲线等的测试，探索了二维配位聚合物、无机-有机杂化材或异质结的结构特征与氧化还原性能及能带之间的构效关系，研究了它们的导电性、氧化-还原性能、平带电位和HOMO/LUMO能级。测试有无光照下它们的电化学数据，研究了它们的光响应、光电催化还原二氧化碳、比电容以及电致变色等性能。把二维配位聚合物(CP)与其他材料复合，研究复合材料中每种单一组分对体系光电转换的贡献，探讨复合材料中各组分的协同效应，积累了有意义的参考数据。为二维配位聚合物在光电领域的实际应用打下基础。如二维配位聚合物(CP)与RuO2复合，该复合材料在可见光照射下，在甲醇存在的条件下，和单独的组分相比，具有大大增强的光响应和大得多的比电容。这归功于不同组分间匹配的能级，并且与电解质中的甲醇的氧化电势相匹配，导致光生电子-空穴能有效的分离，从而得到大大增强的光伏效应。如与TiO2/钙钛矿CH3NH3PbI3/复合，该复合材料在水性电解质中，在可见光照射下，能产生比CP大得多的光电流密度，这归功于CP和CH3NH3PbI3匹配的HOMO/LUMO能级。在甲醇存在的条件下，产生的光电流响应大大提高，这归功于光生空穴被甲醇捕获，导致光生电子和空穴的有效分离。