过渡金属铱、钌、铼配合物激发态性质及其相关应用的理论研究

论文摘要

随着人类社会的不断发展,一方面人们对能源的需求与日俱增,另一方面各种不可再生资源日益枯竭.高速发展的人类文明掣肘于日益加剧的能源瓶颈.这严重地制约了社会的进步.寻找各类新能源和替代能源成为各个国家和地区的科研人员共同关注的焦点.经过诸多的失败与契而不舍的艰苦探索.Gratzel教授于公元一九九一年开发的第三代太阳能电池,即染料敏化电池,为人类社会摆脱对传统不可再生能源的依赖.转向低碳环保、成本低廉的太阳能能源奠定了基础.历经二十多年的发展,Gratzel电池的构造已经基本定型,各大研究结构的研究重点已经逐步转向优化电池中的各类组成成份,以提升电池的光电转换效率.理论化学和量子化学为研究器件的微观电子结构提供了更为有效的途径.在具体研究中.我们以新近开发的一种可用于DSSC的染料分子[Ru（bpp）（dcbpyH2）]+为例（其中,bpp=2,6-bis（N-pyrazolyl）pyridine, dcbpyH2=2,2’-bipyridine-4,4’-dicarboxylic acid）,使用量子化学计算方法,详细地分析了以该染料分子构建的DSSC功效低下的原因：染料分子的激发态能级过低,没有足够的电子注射能力,不能把处于激发态的电荷转移到半导体的导带.同时在此基础上,详细地讨论了染料分子和半导体TiO2之间的桥连基团的数目与位置对染料性能的具体影响.通过精确地调整桥连基团的位置,细致地修饰染料分子的激发态能级,最终找到了理论上更为高效的染料敏化剂分子.对于染料敏化分子的设计与合成,应该遵循以下的规则：i)在保证染料分子在可见光区能够产生较宽的吸收带的同时,要校验各个吸收带所对应的主要跃迁是否产生足够的电子注射能力.否则,即使吸收带能覆盖整个可见光区,所制备的染料敏化太阳能电池的效率也不能得到保证,或者根本无法应用于染料敏化太阳能电池.ii)染料分子与二氧化钛半导体之间桥连基团羧基的位置也十分重要.为了促进电荷的转移效率,羧基的位置最好和染料分子的最低能空轨道所在的位置保持一致.iii)不仅桥连基团羧基的位置重要,它的具体的数目更为重要.理论上讲,桥连基团羧基越多,对于染料分子和半导体二氧化钛的紧密结合更为有利.但是在使用羧基的时候.也要注意具体的影响.羧基的位置和数目对染料分子的具体的激发态能级和最低能空轨道的位置有着重要影响.但是这一点需要面对不同体系进行具体分析.所以强烈推荐在进行新型的染料分子设计当中,采用含时密度泛函理论方法,校验不同构型的分子的激发态能级和最低能空轨道的具体位置,以确保构建的染料敏化太阳能电池具有高量子转化效率.氟离子在日常的生活中扮演着重要的角色.一方面,氟离子被添加到饮用水或者其他的饮品中,可以预防龋齿和骨质疏松症.同时含氟离子的聚合物被广泛地应用在外科手术或者整容手术中作为医用植入材料,为人类的健康和美丽做出积极的贡献.另一个方面,氟离子具有毒性.即使接触了少许过量的氟离子也会导致氟中毒.由于氟离子这种特殊的性质,对于氟离子检测方面的研究刻不容缓.使用量子化计算手段,我们分别研究了两种不同类型的氟离子传感器：苯并咪唑配体钌配合物检氟离子比色传感器以及基于三芳基硼的三羰基二胺配体铼配合物的氟离子传感器.详尽的数据分析表明,前者是去质子化机理控制的一个阴离子传感器,不仅可以检测氟离子,也能检测其他的阴离子.而后者是通过共价作用以及附属的氢键相互作用来捕捉氟离子,使得其本身对于氟离子有高度的选择性.并指出,氟离子的出现,使得原来传感分子的发射峰发生红移,而不是使得原来的磷光发射发生淬灭.我们对于氟离子传感器具体工作机理/机制的研究,传感器分子和氟离子作用本质的具体分析,为新的氟离子传感器的设计提供了必要的参考信息.自从柯达公司研发出高功效的具有实用价值的OLED器件以来.全球各地学术界和产业界的研究人员纷纷投入到OLED发光组成材料、发光效率RGB三原色为基础的照明设备稳定性改善等方面的研究之中.由于受到发光效率的限制,OLED在白光照明方面的应用尚不理想.对于照明用途的OLED而言,最受关注的莫过于发光效率,因为这涉及到能源的损耗、成本以及环保问题.对于被限制在大约5%的量子效率的荧光发光材料而言,电致磷光材料对于OLED的发光效率的提升有着显著的贡献.理论上讲磷光效率应该是荧光的三倍.而且如果包含荧光在内,那么磷光材料的总量子效率可以达到100%.由于一般有机化合物的磷光不明显,为了提升室温下磷光发光效率,在体系中引入过渡金属原子,利用过渡金属的重原子效应,增强单重激发态和三重激发态的耦合,削弱自旋选择定则的限制,促进单三态的电荷转移跃迁以提升发光效率.研究发现.过渡金属铱的效果最为理想,含有过渡金属铱的有机磷光绿色发光体的外量子效率可以高达19%,该数据已经超过了传统的白炽灯和日光灯.然而,基于白光OLED的光源,其发光效率远远达不到实用的要求.其主要的原因就是蓝光发光体的效率不高或者色度不纯.此问题已经成为学术界和工业界的研究焦点.一般来说,蓝光发射需要的HOMO-LUMO能隙较大.以往的研究表明,伴随着HOMO-LUMO能隙的增大,发射的强度和效率反而有所降低.但是最近有报道称,基于碳负离子磷基配体的铱配合物,其内量子转换效率已接近理想的100%,只是较纯色稍有偏差,其发射峰值在574nm附近,并不是理想的蓝色.我们用量子计算仔细研究该配合物的基态和激发态的电子结构性质之后,发现该体系中,三苯基磷上的其中一个苯环和主配体上的另一个苯环之间发生了紧密的π—π堆积,其造成了该配合物的高功效磷光发射.我们以此为基础.设计了新的配合物构型.通过对配体的修饰,找到了两种蓝色发光体.通过性质对比分析,可以确认新设计的分子的内量子效率远远高于目前已经合成的配合物,是一个高功效的蓝色磷光发射体,其磷光发射峰在470nm左右.另一个发射峰在479nm附近,发光效率和实验上测定的效率持平.并概括出以下结论：在提升HOMO-LUMO能隙水平的同时.如果能兼顾保持或者提升参与最低能跃迁的重金属成份,将有可能保持或者提升磷光发射体的内量子转换效率.我们期望以上讨论对蓝色磷光发光体的设计有一定的指导意义.对于过渡金属体系DFT计算的可靠性校验表明：选择合适的方法和基组,对于能否得到合理的结果至关重要.同时其中涉及到的经验结论,也为遴选合适的泛函和基组提供了可靠的操作流程和具体的评估方案.我们期望依据文中讨论的具体方案,对不同的体系,能够筛选出最适合的基组和泛函,以期取得最为精确的结果.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 绪论
• 1.1 全球能源需求
• 1.2 太阳能发展的里程碑:Gratzel电池
• 1.3 功能发光材料:OLED
• 1.4 氟离子的多重性质
• 1.5 分子传感器
• 1.6 本论文研究的内容
• 第2章 理论基础
• 2.1 近代量子化学概述
• 2.2 单组态相互作用CIS
• 2.2.1 CIS基础
• 2.2.2 CIS方法的优点
• 2.2.3 CIS方法的缺点
• 2.3 密度泛函理论DFT
• 2.3.1 DFT基础
• 2.3.2 DFT的近似:交换相关泛函
• 2.3.3 DFT方法的优点
• 2.3.4 DFT方法的缺点
• 2.4 相对论量子化学
• 2.5 量子化学基组
• 2.5.1 Slater型基组
• 2.5.2 高斯型基组
• 2.5.3 压缩型高斯基组
• 2.5.4 劈裂价键基组
• 2.5.5 极化基组
• 2.5.6 弥散基组
• 2.6 赝势
• 2.7 电子光谱理论
• 2.7.1 Frank-Condon原理
• 2.8 自旋轨道耦合
• 2.9 光致发光机理:荧光和磷光
• 2.9.1 激发态
• 2.9.2 荧光和磷光
• 第3章 羧基数目及取代位置对染料敏化电池性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 计算细节
• 3.2.1 密度泛函计算相关
• 3.2.2 溶剂化自由能和氧化还原电势
• 3.2.3 DSSC的效率
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 基态几何结构
• 3.3.2 前线分子轨道性质
• 3.3.3 自旋密度
• 3.3.4 DMSO溶液中的吸收光谱
• 3.3.5 配合物1、2、3在DSSC中的表现
• 3.4 结论
• 第4章 苯并咪唑配体钌配合物氟离子传感器的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算细节
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 方法和基组的选择
• 4.3.2 基态几何结构
• 4.3.3 单重态激发态性质和UV-Vis光谱
• 4.3.4 检测机理的理论研究
• 4.4 结论
• 第5章 三芳基硼的三羰基二胺铼配合物及其氟衍生物光谱性质理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算细节
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 配合物1和2的基态几何结构
• 5.3.2 配合物1和2在THF溶液中的吸收光谱
• 5.3.3 三重激发态结构和发射
• 5.4 结论
• 第6章 基于P（?）C配体的高效蓝光铱配合物的理论研究
• 6.1 引言
• 6.2 计算细节
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 泛函的选择
• 6.3.2 基态和激发态的稳定构型
• 6.3.3 前线分子轨道性质
• 6.3.4 最低能单重态吸收和三重态发射
• 6.3.5 量子转换效率预测
• 6.4 结论
• 第7章 过渡金属体系不同交换相关范函计算结果的可靠性检验
• 7.1 引言
• 7.2 计算细节
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 几何参数的可靠性与泛函选择
• 7.3.2 吸收光谱与交换相关泛函的选择
• 7.3.3 三重激发态的几何结构
• 7.3.4 发射波长与泛函的选择
• 7.4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文