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化学

N719-色光/钛合金界面的振动光谱，来自经验-电位分子动力学模拟，由室温离子液体解低

Published: January 25, 2020
doi:
10.3791/60539
, ,
1School of Chemical and Bioprocess Engineering,University College Dublin, Belfield

概要

染料敏化太阳能电池由RTL溶解;利用优化的经验电位，应用分子动力学模拟计算振动特性。将所得振动光谱与实验和abinitio分子动力学进行了比较;各种经验电位光谱显示了离子液体的偏电荷电荷参数化如何影响振动光谱预测。

Abstract

光活性金属氧化物表面与光吸收染料接触的振动光谱和其他结构、能量和光谱特性的准确分子模拟预测，是物理化学中一个持续棘手的、难以捉摸的挑战。考虑到这一点，分子动力学 （MD） 模拟是通过使用优化的经验电位，对由广泛研究的室温离子液体 （RTIL） 溶解的具有良好代表性和原型染料敏化的太阳能电池 （DSC） 进行，其伪装为 [bmi]=[NTf2]– RTIL 将 N719 感化染料吸附到 101.在此过程中，我们收集了重要的见解，了解了如何使用 RTIL 作为电解孔接受器调节 N719 染料的动态和振动特性，通过傅立叶从 MD 转换质量加权速度自相关函数来估计 DSC 光活动接口的光谱。将获得的振动光谱与实验光谱和从ab initio分子动力学（AIMD）取样的光谱进行了比较;特别是，从MD生成的各种经验电位光谱提供了对离子液体部分电荷电荷参数化如何影响振动光谱预测的见解。无论如何，经过AIMD和实验验证，仔细安装经验力场模型是处理DSC振动特性的有效工具。

Introduction

在染料敏化太阳能电池（DSC）中，半导体的光带间隙由光吸收或敏化染料桥接。DSC 需要持续充电：因此，氧化还原电解质对于促进这种恒定的电荷供应（通常以 I–/I3-有机溶剂的形式）至关重要。这有利于从敏感染料到电解质的孔的传递，注入光兴奋电子进入金属氧化物基板，通过外部电路，最终重组发生在阴极1。DSC 对各种真实应用的积极前景的一个关键方面源于其直接制造，无需高纯度的原材料;这与硅基光伏所需的高资本成本和超纯度形成鲜明对比。无论如何，通过将不太稳定的电解质与具有低挥发性室温离子液体（RILs）的电解质交换，显著改善DSC的工作寿命时间尺度的前景显示出巨大的前景。RTIL 的固体状物理特性与其液体状电气特性（如低毒性、易燃性和挥发性）1相结合，可构成相当优秀的候选电解质，用于 DSC 应用。

鉴于DSC中RtIL的这种前景，毫不奇怪，近年来，在研究DSC原型N719-色光/钛酸盐与RLT的接口方面，活动有了实质性的提高。特别是，对这类系统进行了重要的工作，其中考虑了一系列广泛的物理化学过程，包括染料2、5中的电荷补充动力学、电子孔动力学和转移3的机械步骤，当然还有钛基板的纳米尺度性质对这些和其他过程4的影响。

现在，牢记基于DFT的分子模拟，特别是AIMD的惊人进展6，作为材料科学中非常有用的原型设计工具，尤其适用于 DSC7,8,9,10,11，对最佳功能选择进行关键评估至关重要8,9，AIMD 技术在研究 DSC 半导体表面的染料结构、吸附模式和振动特性方面，在审查相当显著的分散和显式 RTIL 溶解效应方面已经证明非常有用。特别是，AIMD的采用在取得合理、半定量捕获和预测重要电子特性（如带隙）以及结构结合方面取得了一些成功13和振动光谱14在参考。12-14，AIMD模拟对与（101）阿他拉酶-蒂尼亚表面结合的光活性N719-色磷染料进行了广泛的模拟，评估了两者同时存在的电子特性和结构特性。+[NTf2]–12,13和 [bmim]+[I]–14RtIL，除了[bmim] 的振动光谱外+[I]–14.特别是半导体表面的刚度15，除了其固有的比较光活动外，还导致表面在 AIMD 模拟中略有变化，这使得 （101） anatase 接口12,13,14一个合适的选择。如参考文献12所示，阳离子和表面之间的平均距离下降约0.5°，阳离子和离子之间的平均分离减少0.6°，并且染料周围第一层的RtIL明显改变，阳离子位于aver上年龄1.5°离染料中心更远，是由RTIL-溶解系统中显式分散相互作用直接引起的。吸附N719染料配置的实物扭结也是在真空中引入显式分散效应的结果。在参考文献第13中，对显式RTIL溶解和功能选择对这些结构效应是否影响DSSCs的行为进行了分析，认为显式溶解和分散处理都非常重要。在参考文献第14条中，由于手头有其他组的高质量实验振动光谱数据，对两个显性[bmim]的特定效应进行了系统基准测试。+[I]–解析和正确处理在 refs 中建立的分散。12~13关于显性光谱模式特征的再现;这得出了显式溶解的重要性，同时准确处理分散相互作用，与早期在显性溶剂中催化剂的AIMD建模中的结构和动态特性的发现相呼应16.事实上，Mosconi等人也对DSC仿真的DFT处理的显性解解效果进行了令人印象深刻的评估17.巴赫尔等人18研究染料的实验吸收光谱以及TD-DFT水平的相关光谱;这些TD-DFT光谱在计算转换方面与实验同行非常一致。此外，Preat等人还在几个溶剂中研究了苯丙氨酸（PYR）衍生物的吸收光谱。19，提供对染料的几何和电子结构的重要见解，并证明适当的结构修改，以优化基于 PYR 的 DSSc 的特性 – 一种以模拟为主导/合理化的”分子设计”的精神。

明确确立了DFT和AIMD对DSC特性和功能的精确建模的重要贡献，包括从结构、电子和振动角度明确解构和适当处理分散相互作用等重要技术问题，现在，在目前的工作 – 焦点转向如何调整经验-潜在方法，以解决这种原型DSC系统的结构和振动特性的贴合和合理预测，以N719染料吸附在aatase（101）在[bmim][NTf2]– RTIL作为一个例子的实用问题。这一点很重要，不仅因为可用于更广泛地处理DSC模拟7和金属氧化物表面的基于力场的分子模拟活动和方法学机械，还因为它们相对于基于DFT的方法的计算成本惊人地降低，而且有可能非常高效地耦合偏置采样方法，以更有效地捕获高粘性RRTIL溶剂中的三相空间和结构演化，在环境温度下以固体状的物理特性为主。因此，在DFT和AIMD以及振动光谱14实验数据以及振动光谱14实验数据下，基于这种开放式的测量和优化力场方法问题，我们转向利用N719染料原子速度自相关函数（VACF）的质加权傅立叶变换，从MD评估振动光谱预测中的经验-势能的紧迫任务。一个关键问题是RTIL的不同部分电荷参数化如何影响振动光谱预测，并特别注意这一点，以及相对于实验和AIMD20为最佳光谱模式预测而定制力场的更广泛任务。

Protocol

1. 使用DL_POLY执行 MD 仿真 构造DSC系统N719-dye吸附到由[bmim][NTf2]溶解的Anatase-titania表面的初始结构-取自以前的工作12，13。使用 VESTA 软件绘制所需的结构。 选择N719 cis-di（硫磺）-二（2，2′-bipyridl-4-碳化酸-碳素酸）-二）-敏感染料（II），不产生反离子，并确保存在两个表面结合的质子，以提供整个系统电荷中性。注：事实上，De A…

Representative Results

绑定Motif的结构特性在 MD 的 15 ps 之后，图 2描述了四个不同部分电荷集的代表性绑定图案。在图2a，对于（上述）文献衍生电荷，可以看出与表面质子有突出的氢键相互作用。通过对轨道的仔细分析，氢键大多是表面质子结合的，而另外三个（AIMD衍生的）20个电荷组没有与表面质子…

Discussion

Ab initio 仿真技术执行成本很高，因此，在较长的时间尺度上执行仿真至少需要使用一些 DSC 系统的经验力场。为此，使用经验、经典模拟力场为MD创建了等效的[bmim]=[NTf2]–溶化接口的原子模型。阿他塞是使用松井-Akaogi （MA） 力场建模的，而染料结构则使用 OPLS 参数进行处理。对于 RTIL，采用了四个不同的力场来确定 RTIL 电荷对染料振动动力学的重要性。力场参数各相同，只有电荷?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

作者感谢大卫·科克教授的有益讨论和爱尔兰科学基金会（SFI）提供高性能计算资源。这项研究得到了由欧洲区域发展基金共同资助的SFI-NSFC双边供资计划（赠款编号SFI/17/NSFC/5229）以及三级机构研究方案（PRTLI）第5周期的支持。

Materials

This was a molecular simulation, so no experimental equipment was used.
The name of the software was DL-POLY (the 'Classic' version of which is available under GnuPublic Licence, via sourceforge)
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参考文献

  1. Ohno, H. . Electrochemical aspects of ionic liquids. , (2011).
  2. Tefashe, U. M., Nonomura, K., Vlachopoulos, N., Hagfeldt, A., Wittstock, G. Effect of Cation on Dye Regeneration Kinetics of N719-Sensitized TiO2 Films in Acetonitrile-Based and Ionic-Liquid-Based Electrolytes Investigated by Scanning Electrochemical Microscopy. Journal of Physical Chemistry C. 116, 4316-4323 (2012).
  3. Hardin, B. E., et al. Energy and Hole Transfer between Dyes Attached to Titania in Cosensitized Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of American Chemical Society. 133, 10662-10667 (2011).
  4. Bai, Y., Mora-Seró, I., De Angelis, F., Bisquert, J., Wang, P. Titanium Dioxide Nanomaterials for Photovoltaic Applications. Chimerical Reviews. 114, 10095-10130 (2014).
  5. Teuscher, J., et al. Kinetics of the Regeneration by Iodide of Dye Sensitizers Adsorbed on Mesoporous Titania. Journal of Physical Chemistry C. 118, 17108-17115 (2014).
  6. Long, R., English, N. J., Prezhdo, O. V. Minimizing Electron-Hole Recombination on TiO2 Sensitized with PbSe Quantum Dots: Time-Domain Ab initio Analysis. Journal of Physical Chemistry Letters. 5, 2941-2946 (2014).
  7. Agrawal, S., English, N. J., Thampi, K. R., MacElroy, J. M. D. Perspectives on quantum-based molecular simulation of excited-state properties of organic dye molecules in dye-sensitised solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics. 14, 12044-12056 (2012).
  8. Agrawal, S., Dev, P., English, N. J., Thampi, K. R., MacElroy, J. M. D. A TD-DFT study of the effects of structural variations on the photochemistry of polyene dyes. Chemical Science. 3, 416-424 (2012).
  9. Dev, P., Agrawal, S., English, N. J. Functional Assessment for Predicting Charge-Transfer Excitations of Dyes in Complexed State: A Study of Triphenylamine-Donor Dyes on Titania for Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Physical Chemistry A. 117, 2114-2124 (2012).
  10. Lyons, C., et al. Silicon-bridged triphenylamine-based organic dyes for efficient dyesensitised solar cells. Solar Energy. 160, 64-75 (2018).
  11. Lyons, C., et al. Organic Dyes Containing Coplanar Dihexyl-Substituted Dithienosilole Groups for Efficient Dye-Sensitised Solar Cells. International Journal of Photo-Energy. , 7594869 (2017).
  12. Byrne, A., English, N. J., Schwingenschlogl, U., Coker, D. F. Dispersion and Solvation Effects on the Structure and Dynamics of N719 Adsorbed to Anatase-Titania Surfaces in Room-Temperature Ionic Liquids: An ab initio Molecular Simulation Study. Journal of Physical Chemistry C. 120, 21-30 (2016).
  13. Byrne, A., English, N. J. A systematic study via ab initio MD of the effect solvation by room temperature ionic liquid has on the structure of a chromophore-titania interface. Computational Materials Science. 141, 193-206 (2018).
  14. Krishnan, Y., Byrne, A., English, N. J. Vibrational Study of Iodide-Based Room-Temperature Ionic-Liquid Effects on Candidate N719-Chromophore/Titania Interfaces for Dye-Sensitised Solar-Cell Applications from Ab initio Based Molecular-Dynamics Simulation. Energies. 11, 2570 (2018).
  15. Hengerer, R., Bolliger, B., Erbudak, M., Gräatzel, M. Structure and stability of the anatase TiO2 (101) and (001) surfaces. Surface Science. 460, 162-169 (2000).
  16. Bandaru, S., English, N. J., MacElroy, J. M. D. Implicit and explicit solvent models for modeling a bifunctional arene ruthenium hydrogen-storage catalyst: a classical and ab initio molecular simulation study. Journal of Computational Chemistry. 35, 683-691 (2014).
  17. Mosconi, E., Selloni, A., De Angelis, F. Solvent effects on the adsorption geometry and electronic structure of dye-sensitized TiO2: a first-principles investigation. Journal of Physical Chemistry C. 116, 5932-5940 (2012).
  18. Bahers, T. L., et al. Modeling Dye-Sensitized Solar Cells: From Theory to Experiment. Journal of Physical Chemistry Letter. 4, 1044-1050 (2013).
  19. Preat, J., Michaux, C., André, J., Perpète, E. A. Pyrrolidine-Based Dye-Sensitized Solar Cells: A Time-Dependent Density Functional Theory Investigation of the Excited State Electronic Properties. International Journal of Quantum Chemistry. 112, 2072-2084 (2012).
  20. Byrne, A., Krishnan, Y., English, N. J. Ab initio Molecular-Dynamics Studies of the Effect of Solvation by Room-Temperature Ionic Liquids on the Vibrational Properties of a N719-chromophore/Titania Interface. Journal of Physical Chemistry C. 122, 26464-26471 (2018).
  21. De Angelis, F., Fantacci, S., Selloni, A., Nazeeruddin, M. K., Grätzel, M. J. First-principles modeling of the adsorption geometry and electronic structure of Ru (II) dyes on extended TiO2 substrates for dye-sensitized solar cell applications. Journal of Physical Chemistry C. 114, 6054-6061 (2010).
  22. Schiffmann, F., et al. Protonation-dependent binding of ruthenium bipyridyl complexes to the anatase surface. Journal of Physical Chemistry C. 114, 8398-8404 (2010).
  23. Canongia Lopes, J. N., Deschamps, J., Padua, A. A. H. Modeling Ionic Liquids Using a Systematic All-Atom Force Field. Journal of Physical Chemistry B. 108, 2038-2047 (2004).
  24. Hoover, W. G. Canonical dynamics: equilibrium phase-space distributions. Physical Reviews A. 31, 1695 (1985).
  25. Allen, M. P., Tildesley, D. J. . Computer Simulation of Liquids. , (2017).
  26. Jorgensen, W. L., Maxwell, D. S., Tirado-Rives, J. Development and Testing of the OPLS All-Atom Force Field on Conformational Energetics and Properties of Organic Liquids. Journal of American Chemical Society. 118 (45), 11225-11236 (1996).
  27. Matsui, M., Akaogi, M. Molecular Dynamics Simulation of the Structural and Physical Properties of the Four Polymorphs of TiO2. Molecular Simulation. 6, 239-244 (1991).
  28. Todorov, I. T., Smith, W., Trachenko, K., Dove, M. T. DL_POLY_3: new dimensions in molecular dynamics simulations via massive parallelism. Journal of Materials Chemistry. 16, 1911-1918 (2006).
  29. English, N. J., Lauricella, M., Meloni, S. Massively parallel molecular dynamics simulation of formation of clathrate-hydrate precursors at planer water-methane interfaces: insights into heterogeneous nucleation. Journal of Chemical Physics. 140, 204714 (2014).
  30. Thomas, M., Brehm, M., Fligg, R., Vöhringer, P., Kirchner, B. Computing vibrational spectra from ab initio molecular dynamics. Physical Chemistry Chemical Physics. 15, 6608-6622 (2013).
  31. Mancini, J. S., Bowman, J. M. On the ab initio calculation of anharmonic vibrational frequencies: Local-monomer theory and application to HCl clusters. Journal of Chemical Physics. 139, 164115 (2013).
  32. Jaeqx, S., Oomens, J., Cimas, A., Gaigeot, M. P., Rijs, A. M. Gas-Phase Peptide Structures Unraveled by Far-IR Spectroscopy: Combining IR-UV Ion-Dip Experiments with Born-Oppenheimer Molecular Dynamics Simulations. Angewandte Chemie International Edition. 126, 3737-3740 (2014).
  33. Hoffmann, R. An Extended Hückel Theory. I. Hydrocarbons. Journal of Chemical Physics. 39, 1397-1412 (1963).
  34. Chemical Computing Group. . Molecular Operating Environment software. , (2019).
  35. Finnie, K. S., Bartlett, J. R., Woolfrey, J. L. Vibrational spectroscopic study of the coordination of (2, 2′-bipyridyl-4, 4′-dicarboxylic acid) ruthenium (II) complexes to the surface of nanocrystalline titania. Langmuir. 14, 2744-2749 (1998).
  36. León, C. . Vibrational Spectroscopy of Photosensitizer Dyes for Organic Solar Cells. , (2006).

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Molecular DynamicsDye-sensitized Solar CellIonic LiquidTitaniaForce FieldGeometry OptimizationEwald MethodLennard-Jones ParametersVibrational Spectra

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Krishnan, Y., Byrne, A., English, N. J. Vibrational Spectra of a N719-Chromophore/Titania Interface from Empirical-Potential Molecular-Dynamics Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid. J. Vis. Exp. (155), e60539, doi:10.3791/60539 (2020).
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