【摘 要】
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能源短缺与环境污染已经成为当今世界未来发展途中遇到的重大难题。对太阳能、氢能等清洁可再生能源的大规模使用或将成为解决困境的绝佳机遇。探索新材料科学,开发新技术,开发廉价、易得的能源,是当今科研工作者肩负的责任与义务。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源,而氢能具备热值高、无污染等特点,是极具开发潜力的清洁能源。自上世纪90年代之后,广大科研工作者纷纷投入有机太阳电池与光催化制氢等研究课题,并取得了
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能源短缺与环境污染已经成为当今世界未来发展途中遇到的重大难题。对太阳能、氢能等清洁可再生能源的大规模使用或将成为解决困境的绝佳机遇。探索新材料科学,开发新技术,开发廉价、易得的能源,是当今科研工作者肩负的责任与义务。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源,而氢能具备热值高、无污染等特点,是极具开发潜力的清洁能源。自上世纪90年代之后,广大科研工作者纷纷投入有机太阳电池与光催化制氢等研究课题,并取得了丰富的成果。有机太阳电池具有质轻,柔性,可溶液加工,可大面积生产的特点,可以直接将太阳能转化为电能,一直以来都备受关注。2015年以来,对新型非富勒烯受体材料的研究,使得有机太阳电池的发展得到了蓬勃的发展。2020年,基于有机/聚合物材料的有机光伏器件的能量转换效率已经突破18%。另一方面,光催化制氢可以直接利用太阳能光照分解水,获取氢气,在开发氢能上独具优势。开发具有高催化活性、高稳定性的光催化剂是目前光解水制氢领域亟待突破的难题。由于有机共轭半导体材料具有化学结构多样,性能易于调控等优点,受到了广大研究者的关注。本论文围有机太阳电池和光催化制氢,通过对有机共轭分子结构、能级、聚集态的调控,探究材料结构-性质的关系,并将材料成功应用于有机太阳电池和光催化制氢中,讨论其内在工作机理。论文第二章中,制备了四种小分子受体材料（BTIC-OEG-Cl,γ-γBTIC-OEG-Br,β-γBTIC-OEG-Br和β-βBTIC-OEG-Br）,其中三种小分子互为同分异构体。通过化学表征,确定了其化学结构,并探索了分子结构与光学、电化学性质之间的关系。将四种材料应用于有机太阳电池中,并通过系统的表征,优化光伏器件。结果表明,BTIC-OEG-Cl具备更加红移的吸收光谱,更充分的电荷分离效率和更高的载流子迁移率,从而获得13.46%的能量转换效率。进一步的,四种小分子材料在光催化制氢中都表现出优异的催化活性,催化制氢效率最高可达到优异的36.45 mmol g-1h-1。开拓了有机共轭材料应用的新思路。论文第三章,成功构筑了全新的基于电子给体/电子受体多组份材料光催化制氢体系。通过合成了四种小分子材料IDT-4-Roh,IDTT-4-Roh,IDT-4-Roh-CN和IDTT-4-Roh-CN,并选择与一种具有亲水性侧链的聚合物P4EOBDT-TTE匹配应用于光催化制氢中,取得了远超单一材料体系的催化性能。其中,在IDT-4-Roh:P4EOBDT-TTE=95:5的多组份体系中,最高催化制氢效率达到44.98 mmol g-1h-1。进一步的,通过对单/多组份体系在响应光电流、电化学阻抗、光致发光等方面的测试,深入探寻了产生催化制氢效率差异的原因。论文第四章,设计合成了四种基于卟啉结构的共轭聚电解质（PPF-H-Br,PPF-PPF-Ni-Br,PPF-Cu-Br和PPF-Pt-Br）作为光催化剂用以光催化制氢。在聚合物中引入季铵盐基团,有效地提高了分子的亲水性。结果发现,由不同金属原子配位的卟啉结构对光催化制氢性能会有显著的影响。其中以金属Pt为中心配位金属合成的PPF-Pt-Br可以显著提升光催化制氢效率,最高达到37.9 mmol g-1h-1。PPF-Pt-Br的高催化反应活性可以归因为其高激子产生效率,较小的电荷传输电阻,更强的与水分子和助催化剂间的相互作用等。论文第五章,针对第四章中共轭聚电解质材料吸收峰较窄的问题,尝试通过拓宽材料的吸收光谱,促进为光催化制氢反应的进行,制备了两种聚合物材料PPDPP-Zn和PPDPP-Cu。通过在聚合物中引入DPP共聚单元,使得聚合物具有宽吸收,充分利用可见光能量;通过将炔键引入卟啉分子两侧,有效降低共聚单元间的空间位阻效应,使聚合物结构单元更加平整。采用F127作为表面活性剂,制备将聚合物材料制成微球结构,稳定的分散在水中。PPDPP-Zn的催化制氢效率可以达到2.67 mmol g-1h-1。
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