本发明专利技术公开了一种双吩噻嗪基染料及其制法和应用，属于精细化工中的光电转化材料应用领域。本发明专利技术将双吩噻嗪及其衍生物单元通过烷基连接形成双电子给体，在此基础上分别用双键延伸共轭π桥，末端接上氰基乙酸作为电子受体，应用该方法合成了一系列染料。由于双吩噻嗪基染料具有与ＴｉＯ２更强的结合能力，并且有效地防止染料在ＴｉＯ２表面的聚集，使得其在相同条件下具有比单吩噻嗪基染料更优越的性能。而且双吩噻嗪基染料的合成方法简单，原料易得，可代替价格昂贵、制备提纯较难的贵金属光敏染料，有效地降低染料敏化太阳能电池成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一类双吩噻嗪基染料的制法及其在染料敏化太阳能电池上的应用，属于精细化工中的光电转化材料应用领域，具体涉及一类双吩噻嗪基染料及其衍生物的设计、合成，以及所述染料在染料敏化太阳能电池方面的应用。技术背景染料敏化太阳能电池(DSSCs)是1991年瑞士科学家M.首次提出并设计的一种新型的将太阳能转化为电能的装置。其构成一般由以下几方面组成：以镀Pt的导电玻璃为基板的光阴极，吸附了光敏染料的纳米多孔氧化物薄膜和透明导电基板组成的光阳极，填充在两电极之间的电解质以及密封材料。这类电池与传统的硅基太阳能电池相比具有结构简单、制作成本低等优点，而且其光电转化效率目前已达11％以上，是一类具有广泛应用前景的光电转换装置。光敏染料是染料敏化太阳能电池中非常重要的组成部分，染料的结构设计对于这类电池至关重要。目前，光电转化效率最高的依然是钌多吡啶配合物。然而钌属于稀有贵金属，相应的钌多吡啶配合物的分离提纯也有相当的难度，这限制了DSSCs成本的降低和未来的大规模实用化。为此，不含金属的有机光敏染料近年来在DSSCs中得到广泛的应用。同钉多吡啶配合物染料(如N3，N719等)相比，有机光敏染料具有结构多样、制备提纯相对容易、摩尔消光系数高等诸多优点。近年来品种多样的有机光敏染料发展迅速，为了进一步降低染料敏化太阳能电池成本，本专利技术设计合成了一类新型的吩噻嗪类有机光敏染料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种双吩噻嗪基染料及其制法及其应用。本专利技术染料不含金属纯有机光敏染料，这类染料是以双吩噻嗪及其衍生物为共轭体系，通过烷基链将双吩噻嗪单元连接起来，在此基础上分别延伸共轭π桥，在末端接上氰基乙酸，用来吸附在TiO2上，组成一类双链电子推拉型染料。这类染料在染料敏化太阳能电池上具有很好的应用性能。本专利技术提供了一类新型的吩噻嗪光敏染料，具有以下结构通式：-->其中：R1～R6为氢、C1～C20的直链烷基、C1～C20的支链烷基、C1～C20的酰胺基、C1～C20烷氧基或卤素；m为16的自然数；X为氢、C1～C20的直链烷基、C1～C20的支链烷基、C1～C20的酰胺基、C1～C20烷氧基、卤素或其中，X1～X5为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基，C1～C20的酰胺基，C1～C20烷氧基或卤素；X6，X7为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基或C1～C20烷氧基；X8，X9为氢，C1～C20的直链烷基或C1～C20的支链烷基；Y为C4～C20的直链烷基，C4～C20的支链烷基或其中，Y1～Y4为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基，C1～C20的酰胺基，C1～C20烷氧基或卤素；W为氮，氧或硫。一种双吩噻嗪基染料的制备方法，包括以下步骤：反应均在惰性气氛中进行；(1)将碱和A按照摩尔比为1～5∶1混合，在0～40℃下搅拌1～60min；然后滴加B，B与A的摩尔比为1∶2，反应1～48h；加入到冰水混合物中搅拌10～30min，过滤，将固体溶于二氯甲烷中，水洗，分液，干燥有机相，重结晶后得到化合物M1；(2)向冰浴中的N，N-二甲基甲酰胺中缓慢滴加POCl3，N，N-二甲基甲酰胺与POCl3的摩尔比为1～5∶1，恢复室温，搅拌1～2h；然后滴加溶于溶剂的M1，M1与POCl3的摩-->尔比为1∶8～1∶1，在50～120℃下搅拌1～24h；调节pH为6～7，搅拌1～10h，加入二氯甲烷萃取，有机相水洗，干燥，浓缩，得到化合物M2；(3)将M2与氰基乙酸按摩尔比为1∶20～1∶2加入到溶剂中，滴加4～10滴有机碱，在50～120℃下搅拌1～24h；调节pH为1～5，搅拌1～60min，过滤，固体干燥后进行柱层析分离得到化合物M3；所述化合物A为：所述化合物B为Br-Y-Br；所述化合物M1为：所述化合物M2为：所述化合物M3为：-->其中：R1～R6为氢、C1～C20的直链烷基、C1～C20的支链烷基、C1～C20的酰胺基、C1～C20烷氧基或卤素；m为1～6的自然数；X为氢、C1～C20的直链烷基、C1～C20的支链烷基、C1～C20的酰胺基、C1～C20烷氧基、卤素或X1～X5为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基，C1～C20的酰胺基，C1～C20烷氧基或卤素；X6，X7为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基或C1～C20烷氧基；X8，X9为氢，C1～C20的直链烷基或C1～C20的支链烷基；其中，Y为C4～C20的直链烷基，C4～C20的支链烷基或-->Y1～Y4为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基，C1～C20的酰胺基，C1～C20烷氧基或卤素；W为氮、氧或硫。所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。所述有机碱为吡啶、哌啶或三乙胺。步骤(1)所述溶剂为二甲基亚砜或N，N-二甲基甲酰胺。步骤(2)所述溶剂为氯仿、二氯甲烷或1，2-二氯乙烷。步骤(3)所述溶剂为氯仿、乙腈或醋酸。一种双吩噻嗪基染料在染料敏化太阳能电池中的应用。本专利技术吩噻嗪染料的合成方法简单，原料价廉易得，其合成按如下反应式进行：当m＝1时的反应式：本专利技术合成的吩噻嗪染料在染料料敏化太阳能电池中的应用，包括染料敏化太阳能电池的组成和构造、制备步骤和电池性能测试为：(1)染料敏化太阳能电池的组成和构造：染料敏化太阳能电池主要由光阳极、光阴极及它们的基板(导电玻璃)和电解质组成；光阳极基板工作区域一侧导电玻璃中间设有纳米多孔TiO2薄膜，并浸染有吩噻嗪染料；光阴极基板工作区域一侧电玻璃中间设有催化剂(Pt)层；光阳极和光阴极相对间隔设置，中间纳米多孔TiO2薄膜周边用密封材料密封形成密闭的腔体，腔体内填充有电解质；(2)所述染料敏化太阳能电池的制备步骤如下：(a)导电玻璃的预处理：将导电玻璃依次在去油剂、无水乙醇和去离子水中用超声波清洗，然后烘干备用；(b)TiO2浆料的制备：将2g P25型二氧化钛纳米颗粒分散在4ml去离子水与0.1ml乙酰丙酮的混合溶剂中，加入两滴Triton X-100；-->(c)染料溶液的配制：将权利要求1所述的吩噻嗪染料溶于四氢呋喃中，配制成5×10-4mol·L-1溶液；(d)电解质溶液的配制：用绝对干燥的乙腈配制含有0.6M四丁基碘化铵，0.1M LiI，0.05M I2和0.5M对叔丁基吡啶的溶液；(e)光阳极的制备：在步骤(1)处理好的导电玻璃上，通过丝网印刷制备底面积为0.237cm2，厚度为15～20μm的圆柱形纳米多孔TiO2薄膜材料，并在450℃下保持30分钟后缓慢降至室温，再将其浸于40mM TiCl4水溶液中，在70℃保持半小时，取出后用去离子水冲洗干净，在500℃烘焙半小时；(f)光阳极的敏化：将步骤(5)制备的光阳极纳米多孔TiO2薄膜层浸染在权利要求1所述的吩噻嗪染料按步骤(3)配制后的溶液中，染浴12～24h；(g)光阴极的制备：在经过预处理的光阴极基板上，通过热分解法镀上Pt做催化剂层，然后钻针头大小孔备用；(h)电池的封装：在光阳极TiO2薄膜的周边位置，放上经用磨具分割成内圆回字形的Surlyn1702热熔膜，盖上光阴极，然后在100℃加热2分钟密封；(i)将上述电解质通过真空或本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双吩噻嗪基染料，其特征在于，具有以下结构通式： 其中：Ｒ↓［１］～Ｒ↓［６］为氢、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的直链烷基、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的支链烷基、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的酰胺基、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］烷氧基或卤素；ｍ为１～６的自然数；Ｘ为氢、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的直链烷基、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的支链烷基、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的酰胺基、Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］烷氧基、卤素或 ＊＊＊ 其中，Ｘ↓［１］～Ｘ↓［５］为氢，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的直链烷基，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的支链烷基，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的酰胺基，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］烷氧基或卤素；Ｘ↓［６］，Ｘ↓［７］为氢，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的直链烷基，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的支链烷基或Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］烷氧基；Ｘ↓［８］，Ｘ↓［９］为氢，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的直链烷基或Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的支链烷基；Ｙ为Ｃ↓［４］～Ｃ↓［２０］的直链烷基，Ｃ↓［４］～Ｃ↓［２０］的支链烷基或 ＊＊＊； 其中，Ｙ↓［１］～Ｙ↓［４］为氢，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的直链烷基，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的支链烷基，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］的酰胺基，Ｃ↓［１］～Ｃ↓［２０］烷氧基或卤素；Ｗ为氮，氧或硫。...
【技术特征摘要】
1.一种双吩噻嗪基染料，其特征在于，具有以下结构通式：其中：R1～R6为氢、C1～C20的直链烷基、C1～C20的支链烷基、C1～C20的酰胺基、C1～C20烷氧基或卤素；m为1～6的自然数；X为氢、C1～C20的直链烷基、C1～C20的支链烷基、C1～C20的酰胺基、C1～C20烷氧基、卤素或其中，X1～X5为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基，C1～C20的酰胺基，C1～C20烷氧基或卤素；X6，X7为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基或C1～C20烷氧基；X8，X9为氢，C1～C20的直链烷基或C1～C20的支链烷基；Y为C4～C20的直链烷基，C4～C20的支链烷基或其中，Y1～Y4为氢，C1～C20的直链烷基，C1～C20的支链烷基，C1～C20的酰胺基，C1～C20烷氧基或卤素；W为氮，氧或硫。2.权利要求1所述的一种双吩噻嗪基染料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：反应均在惰性气氛中进行；(1)将碱和A按照摩尔比为1～5∶1混合，在0～40℃下搅拌1～60min；然后滴加B，B与A的摩尔比为1∶2，反应1～48h；加入到冰水混合物中搅拌10～30min，过滤，将固体溶于二氯甲烷中，水洗，分液，干燥有机相，重结晶后得到化合物M1；(2)向冰浴中的N，N-二甲基甲酰胺中缓慢滴加POCl3，N，N-二甲基甲酰胺与POCl3的摩尔比为1～5∶1，恢复室温，搅拌1～2h；然后滴加溶于溶剂的M1，M1与POCl3的摩尔比为1∶8～1∶1，在50～120℃下搅拌1～24h；调节pH为6～7，搅拌1～10h，加入二氯甲烷萃取，有机相水洗，干燥，浓缩，得到化合物M2；(3)将M2与氰基乙酸按摩尔比为1∶20～1∶2...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹德榕，彭锦安，洪艳平，汪凌云，方晓明，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
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