![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Кристаллические ковалентные органические каркасы (covalent organic frameworks, COF) представляют собой семейство химически и термически стабильных кристаллических двумерных органических пористых полимеров с высокой доступной удельной поверхностью. Эти системы лишь недавно привлекли внимание исследователей и в настоящее время активно изучаются. Кристаллическое упорядочение в двумерных COF достигается благодаря пи-пи-взаимодействию соседних полигональных двумерных слоев полимера, что приводит к образованию слоистой структуры и упорядочению пор с формированием сквозных наноканалов. Использование в составе каркаса электроноизбыточных полиненасыщенных мономеров позволяет достичь высокой оптической плотности и дырочной подвижности. Заполнение каналов полупроводниковыми акцепторами с электронной проводимостью позволяет конструировать нанопроводники, пронизывающие COF, что создает условия для эффективного разделения экситонов и транспорта свободных носителей заряда. Совокупность этих свойств выделяет COF в качестве перспективных материалов для создания оптоэлектронных устройств на органической и гибридной основе и, в частности, полимерных солнечных батарей (polymer solar cells или PSC), как было показано в недавних пионерских работах (Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 2920; Nat. Commun., 2013, 4, 2736). Ключевой проблемой для изготовления фотовольтаических устройств на основе COF является их нерастворимость, что ухудшает наноморфологию объемного гетероперехода при использовании традиционных протоколов для изготовления устройств. Другой проблемой является неоптимальный дизайн COF полимеров, что связанно с их недостаточной изученностью по сравнению с линейными полимерами, которые оптимизируют для задач органической электроники уже более 15 лет. Настоящий проект направлен на создание новых материалов на основе полисопряженных микропористых COF полимеров и их наноструктурированных композитов с акцепторными полиенами, а также тестирование новых материалов для конструирования полимерных солнечных батарей. В рамках поставленной цели будут решаться четыре основные группы задач: (i) дизайн и синтез полисопряженных микропористых COF полимеров, (ii) дизайн и синтез акцепторных полиенов (AP), (iii) наполнение сквозных каналов COF полимера акцепторными полиенами (создание композитов AP@COF) и (iv) конструирование на основе композитов AP@COF опытных полимерных солнечных батарей и их тестирование. Ковалентные полимерные каркасы, наполненные акцепторными полиенами, а также устройства PSC на их основе будут созданы и охарактеризованы впервые.
Covalent organic frameworks (COF) are a family of chemically and thermally stable crystalline organic 2D porous polymers with high specific accessible surface. Those systems attracted researchers' attention only recently, and currently they are actively studied. Crystalline ordering in the 2D COF is due to pi-pi stacking interactions of the polygonal 2D polymeric layers. The resulting layered structure has ordered pores that form penetrating nanochannels. The COFs that involve electron-rich polyconjugated units can demonstrate increased absorbance across the visible range and enhanced hole mobility. Filling of the COF channels with electron-withdrawing semiconducting polyconjugated compounds with n-type conductivity can create penetrating conductive nanochannels with efficient exciton separation properties and free charge carriers mobility. The above features of rationally designed COFs suggest them as promising materials for organic and hybrid optoelectronic devices such as polymer solar cells (PSCs), which has been demonstrated in the recent pioneering research (Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 2920; Nat. Commun., 2013, 4, 2736). The key difficulty in development of COF-based photovoltaic devices is insolubility of the COFs. When traditional manufacturing protocols are employed, insolubility gives rise to poor bulk heterojunction morphology. Another problem is suboptimal design of the currently available COF polymers that are less studied so far than the traditional linear polymers for organic electronics. The present project is aimed at creation of novel materials for organic electronics on the basis of polyconjugated microporous COF polymers and their nanostructured composites with acceptor polyenes. The materials will be tested for applicability in polymeric solar cells. There are four general groups of tasks to be addressed: (i) design and synthesis of microporous polyconjugated COF polymers, (ii) design and synthesis of the acceptor polyenes (APs), (iii) filling of the COF channels with APs (i.e. creation of AP@COF composites), and (iv) fabrication and testing of the prototypical polymeric solar cells based on the AP@COF materials. That will be the first attempt of creation and characterization of the AP-filled covalent polymeric frameworks and of the PSC devices based thereon.
Основным результатом проекта станет создание и характеризация принципиально новых материалов на основе кристаллических пористых полисопряженных ковалентных каркасов, заполненных линейными акцепторными полиенами, которые будут протестированы в опытных фотовольтаических устройствах. Благодаря высокой упорядоченности каналов, электронной и дырочной проводимости, высокой оптической плотности и ожидаемой высокой эффективности генерации свободных носителей заряда при разделении экситонов, создаваемый материал имеет большой прикладной потенциал для органической оптоэлектроники, в частности для создания более эффективных и экологически чистых устройств преобразования солнечной энергии в электрическую. Помимо этого будут получены новые данные о строении и электронных свойствах новых кристаллических пористых полисопряженных ковалентных каркасов и электроноакцепторных полиенов, развиты методы получения тонких пленок полимеров COF на электропроводящих подложках. Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню, планируемая работа ведется в зарождающейся области новых материалов на основе кристаллических пористых ковалентных органических каркасов, перкалированных полупроводниковыми акцепторами с электронным типом проводимости. Полученные результаты позволят уточнить требования, выдвигаемые к данному классу нанокомпозитов для создания более эффективных материалов для решения задач органической электроники.
Коллектив участников проекта имеет большой опыт в разработке методов синтеза, структурной идентификации и исследовании физико-химических, оптических и электрохимических свойств пирамидализованных полиенов и производных фуллеренов, а также в квантово-химическом моделировании и теоретическом предсказывании свойств новых углеродных наноструктур. Один из ключевых участников проекта (Соловьева В.А.) имеет многолетний опыт в синтезе органических материалов, функциональных полимеров, линкеров для металлоорганических и ковалентных органических каркасов и собственно каркасных материалов. Совместно с группой доктора Амшарова были разработаны методы региоселективного синтеза чашеобразных акцепторных полиенов и их галоген-, алкил- и арилпроизводных, а также установлены их электрохимические свойства. Участники коллектива имеют большой опыт в моделировании молекулярного и электронного строения, а также свойств как отдельных молекул (в т.ч. и крупных молекулярных кластеров) в основном и возбужденных состояниях, так и периодических полимерных структур. В область их экспертизы входит широкий спектр аналитических методов, использующихся для характеризации макромолекул, полимерных соединений и пористых материалов, такие как, спектроскопия, а также методы микроскопии , и физико-химические методы исследования свойств материалов (ТГ, газовая сорбция, вольтамперометрия). Коллектив имеет практические навыки в создании и тестировании полимерных фотовольтаических устройств, а также разработки протоколов создания фотовольтаических устройств с использованием неклассических и малорастворимых углеродных наноструктур
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 30 апреля 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Этап 1. Новые материалы для органической фотовольтаики: кристаллические микропористые полисопряженные ковалентные органические каркасы, заполненные акцепторными полиенами в качестве наноразмерных проводников |
Результаты этапа: В ходе работы над проектом, мы установили условия синтеза COF-1, при которых реакция тримеризации циано-линкера протекает с полной конверсией и, таким образом, приводит к получению материала требуемого молекулярного строения, не содержащего полупродукты. Оптимальной оказалась методика проведения синтеза COF-1 в двухфазной системе – на границе раздела несмешивающихся фаз - трифторметансульфоновой кислоты и раствора 4,4’-дицианобифенила в хлористом метилене. Эксперименты проводили в инертной атмосфере прибавлением по каплям раствора 4,4’-дицианобифенила к разогретой до 80оС трифторметансульфоновой кислоте в течение 30 мин с последующим кипячением реакционной смеси в течение 2 часов до завершения реакции. Обработку реакционной смеси проводили по следующей схеме - нейтрализацией смеси 10% водным раствором аммиака, последующим промыванием водой до нейтральной реакции, осадок COF-1-TfsA/DCM обрабатывали ацетоном, этанолом и тетрагидрофураном для удаления низкомолекулярных органических примесей, а затем сушили в вакууме при 200оС в течение суток для удаления растворителей из пор каркаса. Таким образом, нами были выделены микрокристаллические тонкие пленки материала COF-1-TfsA/DCM в виде прозрачных желтых пластин (Рис.6a). Тонкопленочная морфология является оптимальной для нанесения полимеров и их применения в фотовольтаических устройствах, то есть искомый первый шаг, заключавшийся в оптимизации синтеза материала COF-1 для применения в электрохимических приложениях, удалось реализовать успешно. Методом ТГ/ДСК-МС было показано, что COF-1 стабилен в инертной атмосфере при нагревании до 300 оС, при более высокой температуре происходит его возгонка ароматических нитрилов, что связано с наличием низкомолекулярных продуктов олигомеризации или деполимеризации ковалентного каркаса. Методом SEM показано, что в зависимости от способа синтеза COF-1, образцы обладают различной морфологией. Полученные данные методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии отражают полноту очистки материала и указывают на равномерное распределение остаточных примесных химических элементов в образцах. Были исследованы также оптические свойства синтезированных ковалентных каркасов COF-1. Установлено, что край поглощения COF-1-TfsA/MW и COF-1-TfsA/DCM лежит в области ХХ эВ. Оказалось, что каркасы COF-1 проявляют флуоресцентные свойства с максимум эмиссии при 450 нм. Добавление сильного электронного акцептора C60F48 приводит к тушению флуоресценции, что свидетельствует о образовании состояний с переносом заряда. Показано, что возможно легирование каркаса COF-1 фуллереновыми производными методами его нагревания с соединениями фуллеренового ряда, что открывает возможность получать на основе COF-1 и фуллеренов гетеропереходов. Был синтезирован представительный набор акцепторных планарных и чашеобразных полиенов AP-1-5 (Рис. 8), образованных сочленением шестичленных и пятичленных циклов (10 соединений, большинство получено впервые). Строение соединений было доказано методами масс-спектрометрии высокого разрешения, ЯМР и РСА. Особенности электрохимического поведения, влияние строения углеродного каркаса и периферических заместителей на положение потенциалов восстановления и окисления были определены методом циклической вольтамперометрии. На основании полученных данных были оценены уровни НВМО и ВЗМО, а также электрохимический зазор НВМО-ВЗМО. Уровни НВМО полиенов лежат в пределах от -2.8 (AP-1) до -3.5 эВ (AP-5), а электрохимические зазоры падают от 2.8 (AP-1-3) до 1.9 эВ (AP-5). Экспериментальные оценки НВМО находятся в приемлемом согласии с теоретически полученными величинами методом теории функционала плотности. Согласно данным спектроскопии поглощения и флуоресценции растворов полиенов AP-1-5 оптический зазор уменьшается при росте размера сопряженной системы, при этом квантовые выходы флуоресценции падают с увеличением размера поликонденсированной системы полиена (максимальные квантовые выходы были обнаружены для AP-1 и dPI, фF=0.19 и 0.79, соответственно). Для оценки потенциала применения полученных акцепторных полиенов (AP) для создания солнечных батарей на их основе был оптимизирован протокол конструирования солнечных фотоэлементов с классической архитектурой ITO/PEDOT:PSS/P3HT:AP/Ca/Al и определены их характеристики. Установлено, что наилучшие характеристики работы СФЭ наблюдаются при соотношении донор/акцептор 1:1, толщине фотоактивного слоя 120 нм с использование термической обработки фотоактивного слоя до напыления электродов при температуре 150 оС в течении 3 мин. Использование AP-2 в качестве акцептора в СФЭ приводит к увеличению напряжения холостого хода (VOC) на 0.2 В в сравнении с реперной системой на основе P3HT/PCBM (ср. VOC 0.6 и 0.8 В), что хорошо согласуется с оценками величины зазора между уровнями НВМО акцептора и ВЗМО донора. Однако СФЭ на основе P3HT/AP-2 демонстрировали низкие значения плотности тока короткого замыкания (JSC, 0.3–0.9 мА·см–2) и фактора заполнения (FF, 23–31 %), в следствии чего наблюдались низкие значения КПД (0.05–0.25 %). Это, в первую очередь, связано с низкой растворимостью используемого полиена AP-2, приводящей к сегрегации донорной и акцепторной фаз объемного гетероперехода и отсутствием эффективного разделения и транспорта носителей заряда, что подтверждается данным АСМ. Используя оптимизированный протокол, были изготовлены СФЭ на основе P3HT/AP-3b, которые продемонстрировали VOC порядка 1.04–1.06 В, что хорошо согласуется с величиной зазора между уровнями НВМО акцептора и ВЗМО донора. Ввиду лучшей растворимости AP-3b (10 мг·мл–1) объемный гетеропереход характеризуется лучшей наноморфологией, а сконструированные устройства демонстрируют рост FF до 33–40 %, JSC до 0.8–1.2 мА·см–2 и КПД до 0.5 %. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования синтезированных полиенов в органической фотовольтаике, благодаря высоким значения Voc (более 1 В). Однако для достижения эффективного разделения и транспорта носителей заряда необходима дальнейшая оптимизация морфологии объемного гетероперехода. Это планируется достичь введением периферических заместителей, увеличивающих их растворимость и смешиваемость с фазой донора. С этой целью были синтезированы акцепторные полиены AP-3c-e, а также AP-5. Методом сильной связи с самосогласованием по атомным зарядам, параметризованный по данным метода функционала плотности, SCC-DFTB, было выполнено моделирование двумерных ковалентных органических каркасов COF-1 и COF-2: определены структурные параметры, уровни валентной зоны и зоны проводимости, оценены оптические свойства. Методом теории функционала плотности проведено квантово-химическое моделирование акцепторных полиенов. Качественное сопоставление уровней ВЗМО акцепторов и энергий зон проводимости каркасов показывает, что для создания композитных материалов с COF-1 скорее подходят полиены AP-2, AP-3a, AP-3b, AP-4 и AP-6, тогда как для внедрения в COF-2 более перспективны AP-3, AP-3d, AP-3c, AP-7 и dNI. Таким образом, поставленные научные задачи, а именно: дизайн и синтез полисопряженных микропористых ковалентных органических каркасов COF-1 и акцепторных полиенов, заполненение COF-1 акцепторными полиенами, а также тестирование фотовольтаических свойств акцепторных полиенов, были решены полностью. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Новые материалы для органической фотовольтаики: кристаллические микропористые полисопряженные ковалентные органические каркасы, заполненные акцепторными полиенами в качестве наноразмерных проводников |
Результаты этапа: Второй этап работы включал следующие основные направления: (1) получение и характеризация пи-сопряженного 2D полимера COF-2, состоящего из трифениленовых узловых тектонов и пиреновых линкеров, соединенных пиразиновыми фрагментами; (2) синтез и исследование свойств акцепторных полиенов и перспективных строительных блоков; (3) оптимизация методов синтеза монолитных образцов каркасов COF-1, в которых бифенильные линкеры соединены триазиновыми фрагментами, и его композитов с акцепторами; (4) разработка методов получения тонких пленок на основе COF-1 и исследование их свойств; (5) квантово-химическое моделирование перспективных ковалентных пористых полимеров. Каркас COF-2 был синтезирован конденсацией пирен-4,5,9,10-тетраона и трифенилен-2,3,6,7,10,11-гексаамина с образованием пиразиновых фрагментов, объединяющих трифениленовые узловые тектоны и пиреновые линкеры в пи-сопряженный 2D полимер. Для отработки методики синтеза полисопряженного каркаса COF-2 первоначально были решены задачи синтеза пирен-4,5,9,10-тетраона и гексааминотрифенилена, включающих пять стадий химических превращений. Была проведена схема параллельных реакций с образованием гексаамино- и тетракето-билдинг блоков - необходимых исходных структур для замыкания полностью сопряженного каркаса. Также был получен композит C60@COF-2 конденсацией кето- и аминосодержащих строительных блоков в присутствии фуллерена С60. Полученные продукты представляли собой оранжево-коричневые порошки. Данные ИК спектроскопии, РФА и SEM/EDX подтверждают формирование каркаса COF-2, а для образца C60@COF-2 введение фуллерена С60 в состав монолитного каркаса COF-2. Успешное введение фуллерена С60 в каркас COF-2 свидетельствует о возможности получения композитных каркасов COF-2, содержащих в своем составе объемные молекулы, включая различные фуллерены, их производные и нефуллереновые акцепторы. Было продолжено исследование свойств акцепторных полиенов и была расширена библиотека исследуемых полиенов. Дополнительно был синтезирован н-октил бензокораннулен и исследованы его электрохимические свойства, изучены реакции хлорирования в различных условиях трифенилена и индаценопицена. Найдены условия получения гексахлортрифенилена, перспективного прекурсора для получения сопряженных 2D полимеров электрополимеризацией. Методом РСА определено строение полностью замещенного С26Сl12 и двух изомеров C26Cl14. Обнаружено, что один из изомеров C26Cl14 является аналогом интермедиата перегруппировки Стоуна-Вейлза, экспериментально обнаруженной для фуллеренов. При хлорировании происходит разрыв С-С связи одного из пентагонов и разворот части каркаса с образованием циклопропанового фрагмента. Благодаря этому происходит кардинальная перестройка электронных свойств, что было продемонстрировано на примере сравнения их флуоресценции. Детонационные наноалмазы являются доступным наноструктурированным углеродным материалом, привлекательным в качестве добавок для создания упрочненных композиционных материалов, обладающих улучшенными фрикционными свойствами. С этой точки зрения, привлекательной идеей является введение наноалмазов в качестве компонентов ковалентных каркасных полимеров. Было показано, что размер наноалмазных агрегатов возрастает с долей атомов кислорода, участвующих в образовании сложноэфирных фрагментов, обеспечивающих ковалентное связывание между собой многослойных графеновых оболочек наноалмазных ядер. Были предложено несколько методов очистки коммерчески доступных агрегатов наноалмазов, полученных детонацией, с образованием кластеров свободных от окислительных агломератов на поверхности. В рамках работы по синтезу строительных блоков для получения COF-2 были синтезированы и спектрально охарактеризованы гексабромтрифенилен, трифениленгексаамин и тетракетон перилена. Особенности электронного строения и свойств этих соединений были исследованы методами спектроскопии оптического поглощения и циклической вольтамперометрии. К сожалению, низкая растворимость гексабромтрифенилена не позволила исследовать его электрохимические свойства, однако удалось определить значение сродство к электрону гексабромтрифенилена в газовой фазе методом спектроскопии диссоциативного электронного захвата (ДЭЗ). Величина СЭ была оценена 1.1 эВ, что совпадает с оценкой, полученной в ходе квантово-химического моделирования. Для определения подвижности свободных носителей заряда в пленках непланарных акцепторных полиенов были сконструированы тонкопленочные полевые транзисторы. В виду неудовлетворительной растворимости попытки получения тонких пленок методом центрифугирования и исследование их зарядово-транспортных характеристик, а также создание полевых транзисторов на их основе не увенчались успехом. Однако с использованием напыления в вакууме позволило сконструировать полевой транзистор на основе индаценопицена с нижним затвором и верхними кальциевыми электродами. Для индаценопицена была обнаружена дырочная подвижность (1.3±0.2 × 10-4 см2·В-1·с-1). Был разработан метод введения фуллерена в каркас COF-1 в ходе ионотермального синтеза в расплаве ZnCl2. Продукт синтеза представляет собой порошок черного цвета, в ИК спектре продукта отсутствуют полосы нитрильной группы и триазинового фрагмента, что свидетельствует о значительной деградации и карбонизации каркаса COF-1 в этих условиях. Анализ образца С60@COF-1 методом БЭТ свидетельствуют о малой доступной удельной поверхности (менее 10 м2/г), что свидетельствует о высокой степени заполнения доступных пор фуллереном С60. Поскольку высокотемпературный ионотермальный метод синтеза приводит к карбонизации и фрагментации каркаса COF-1 были продолжены работы по поиску условий синтеза COF-1 в мягких условиях. В качестве альтернативного подхода для полимеризации дикарбонитрила были апробированы реакции полимеризации в среде TiCl4 и AlCl3 при нагревании, в т.ч. в присутствии фуллеренов С60 и С70 для получения заполненных каркасов. Показано, что использование TiCl4 позволяет снизить температуру синтеза COF-1 по сравнению с наиболее широко используемом ZnCl2. Был разработан метод синтеза тонких пленок полимера COF-1. Для этого были оптимизированы условия нанесения пленок 4,4’-бифенилдикарбонитрила методом центрифугирования и напыления в условиях высокого вакуума на кремниевые пластины (для контроля полимеризации методом ИК спектроскопии) и ITO на стеклянных подложках. Разработан метод их полимеризации в парах трифлатной кислоты, что позволяет получать диэлектрические пленки высокого качества. Таким образом, были разработаны методы синтеза чешуеобразных и монолитных образцов COF-1 и их композитов с фуллеренами при активации трифлатной кислотой (CF3SO3H) в двухфазной системе и кислотами Льюиса (ZnCl2, TiCl4 и AlCl3). Синтезированные образцы COF-1 были охарактеризованы методами ИК спектроскопии и РФА, морфология и элементный состав был определен методами SEM и EDX. Квантово-химические расчеты каркасных 2D полимеров были сфокусированы на моделировании ряда структур, перспективных для создания новых материалов для органической электроники. Расчеты проводили с помощью программного пакета DFTB+. Согласно полученным данным, для многих рассмотренных каркасов наиболее энергетически выгодным является образование структур с AA стэкингом. Сопоставляя для родственных соединений значения энергий валентной зоны и зоны проводимости в гамма-точке, можно отметить, что внедрение более акцепторных групп, содержащих фтор или серу, приводит к снижению обеих этих величин, однако уровень зоны проводимости опускается сильнее, что и влияет на сужение запрещенной зоны. Каркас COF-3, образованный олиготиофиновым линкером и пиреном, обладает наименьшей запрещенной зоной. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".