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对含醌配体的Re(Ⅰ)金属配合物光电性质的理论研究认领

作者：

纪秀艳

学位授予单位：

吉林大学

摘要：

过渡金属配合物,由于其在有机发光二极管（OLEDs）、染料敏化太阳能电池（DSSC）、荧光探针等方面的应用而受到了广泛的关注。自从Wrighton探究了[fac-Re（CO）3LCl]（L=1,10-邻二氮菲）的发光及电子转移性质以来,科研工作者对Re（Ⅰ）金属配合物的研究与日俱增。Re（Ⅰ）金属配合物通常具有较高的量子发光效率、合适的的激发态寿命以及内部量子效率可达100%等特点。对于Re（Ⅰ）金属配合物的光物理、光化学、电化学等应用性质可以通过选择合适的配体来调节。形成Re（Ⅰ）配合物最广为利用的配体是N^N型二齿配体,包括联吡啶和1,10-邻二氮菲及其衍生物。另外一些含氮杂环配体,诸如N^P型和N^S型配体的Re（Ⅰ）配合物也曾被关注。但到目前为止对于含N^O型配体的Re（Ⅰ）金属配合物却很少被研究,这为开发新型光电材料指出了新的研究方向。在上述背景下,本研究工作着眼于含N^O型配体的Re（Ⅰ）配合物,对其进行了理论上的研究。利用密度泛函（DFT）及含时密度泛函（TD-DFT）理论方法对一系列含醌N^O配体的Re（Ⅰ）金属配合物的几何结构、电子结构、光谱性质以及在染料敏化太阳能电池中作染料的部分性质进行了理论研究,旨在揭示含醌配体的Re（Ⅰ）金属配合物的电子结构和光物理性质之间的关系。通过对分子结构的调控改善配合物光电性质的策略,为实际应用中设计新的光电材料提供有用的信息。本论文研究包含以下三个部分工作:第一部分工作,我们以双核金属配合物[Re2（CO）6（N^O）L2](N^O=2,5-二(4?-（异丙基）-苯胺基)-1,4-苯醌,L=4-二甲氨基吡啶)为原型（配合物1）,设计了a、b和c三种包含醌配体的Re（Ⅰ）金属配合物[Re（CO）3（N^O）L]（L=4-二甲基氨基吡啶,a1;4-羧基吡啶,a2;乙炔基,b1;苯酚,b2）和[Re（CO）2（N^O）L](L=4,4?-二羧基-2,2?-联吡啶,c1（N^O配体与L配体互相垂直）)。采用PBE1PBE/[LanL2DZ,6-311G（d）]理论方法及基组优化配合物基态几何结构,表明所有的金属配合物均为扭曲的八面体几何结构。通过引入供电子能力不同的配体或取代基可以有效调节配合物的前线分子轨道能级以及能隙。TD-DFT方法计算表明a、b类型配合物的吸收和发射分别在350-800 nm和700-760 nm范围内,并且发光寿命在50-80ns,然而,c1配合物在近红外区域发光并且发光寿命在微秒级别。对于所有配合物,低能量吸收及发射的跃迁属性主要为配体内的电荷转移（ILCT）。研究电离能（IP）、电子亲和能（EA）以及重组能（λ）性质表明a2及c1可以作为较好的光电转换材料。第二部分工作设计了另外五个配合物d1-d5[Re（CO）3（N^O）L](L=乙腈基,N^O=2,5-二(4?-（羟基）苯胺基)-1,4-苯醌,d1;2,5-二-苯胺基-1,4-苯醌,d2;2,5-二(4?-（羧基）苯胺基)-1,4-苯胺,d3;2,5-二(4?-（磺酸基）苯胺基)-1,4-苯醌,d4;2,5-二(4?-（硝基）苯胺基)-1,4-苯胺,d5))。这五个配合物的区别在于N^O配体中苯环上与胺基对位的R取代基的不同,旨在通过对N^O配体的修饰来实现对Re（Ⅰ）配合物性质的调控。研究结果表明,通过对N^O配体的修饰可以调节配合物的电子结构,从而进一步影响光谱性质。d系列配合物的HOMO以及LUMO轨道能级逐渐降低。所有配合物均在350-800 nm范围内产生吸收,可发生红光范围内的光发射,并且发光寿命在50-140 ns之间。第三部分工作,我们研究了a2,c1以及c1的构象异构体c2在染料敏化太阳能电池中作为染料敏化剂的性质。三个染料分子均能吸附在（TiO2）16团簇上。研究结果表明,在三个吸附体系的HOMO轨道中电子主要集中在染料分子部分,而LUMO轨道中电子主要集中在二氧化钛团簇中。在乙腈溶剂中拟合的吸收光谱同孤立染料分的吸收光谱相比红移。以上性质表明三个配合物可以作为染料分子应用在染料敏化太阳能电池中。计算得到的-ΔGinject和LHE表明配合物c2作为染料敏化剂由于a2和c1。

摘要译文

关键词：

Re(Ⅰ)金属配合物; 醌配体; 理论研究; 光电性质; 密度泛函理论

学位年度：

2018

学位类型：

硕士

学科专业：

物理化学

导师：

夏宝辉

中图分类号：

O641.4[络合物化学（配位化学）]

学科分类号：

070304[物理化学];081704[应用化学];081706[分子化工]