Bir Oda Sıcaklığı iyonik Sıvı ile solvated Ampirik-Potansiyel Moleküler Dinamiksimülasyon bir N719-Kromofor / Titania Arayüzü Titreşimsel Spectra
Summary
Bir boya-sensitize güneş pili RTLs tarafından solvated oldu; optimize edilmiş ampirik potansiyeller kullanılarak, titreşim özelliklerini hesaplamak için moleküler dinamik simülasyonu uygulanmıştır. Elde edilen titreşim spektrumları deney ve ab initio moleküler dinamikleri ile karşılaştırıldı; çeşitli ampirik potansiyel spektrumlar iyonik sıvının kısmi yük parametreizasyonunun titreşimsel spektrum tahminini nasıl etkilediğini gösterir.
Abstract
Titreşimsel spektrumların ve diğer yapısal, enerjik ve spektral özelliklerin, ışık emici boyalarla temas eden foto-aktif metal-oksit yüzeylerin doğru moleküler simülasyon tahmini, fiziksel kimyada devam eden dikenli ve zor bir meydan okumadır. Bunu göz önünde bulundurarak, moleküler dinamikler (MD) simülasyonu, yaygın olarak çalışılan oda sıcaklığı iyonu ile çözülen iyi temsili ve prototipik boya duyarlı güneş pili (DSC) için optimize edilmiş ampirik potansiyeller kullanılarak gerçekleştirildi. iktisadi sıvı (RTIL), bir [bmim]+[NTf2] kisvesi içinde– RTIL 101 anataz-titania üzerine adsorbe bir N719-sensitizing boya solvating. Bunu yaparken, önemli anlayışlar nasıl elektrolitik delik alıcı olarak bir RTIL kullanarak bir N719 boya dinamik ve titreşimsel özelliklerini modüle, MD kütle ağırlıklı hız otokorelasyon fonksiyonlarının Fourier dönüşümü ile DSC fotoğraf aktif arayüzü için spektrum tahmin toplandı. Elde edilen titreşim spektrumları deney spektrumları ve ab initio moleküler dinamiklerden (AIMD) alınanlarla karşılaştırıldı; özellikle, MD’den üretilen çeşitli ampirik-potansiyel spektrumlar, iyonik sıvının kısmi yük parametreizasyonunun titreşimsel spektrum tahminini nasıl etkilediğine dair içgörü sağlar. Her halükarda, ampirik kuvvet alanı modellerinin dikkatli bir şekilde takılması, AIMD ve bir deney tarafından doğrulandığında DSC titreşim özelliklerinin işlenmesinde etkili bir araç olarak gösterilmiştir.
Introduction
Boya duyarlı güneş pillerinde (DSCs), yarı iletkenlerin optik bant boşluğu Bir ışık emici tarafından köprü, ya da duyarlılaştırıcı, boya. DSC’ler sürekli şarj gerektirir: bu nedenle, bir redoks elektroliti bu sabit yük tedarikini teşvik etmek için gereklidir (genellikle organik bir çözücüde I–/I3-şeklinde). Bu elektrolit duyarlı boya deliklerin geçişini kolaylaştırır, metal-oksit substrat içine enjekte foto-heyecanlı elektronlar ile bir dış devre için geçen, nihai rekombinasyon katot yer alan1. DSC’lerin çok çeşitli gerçek dünya uygulamaları için olumlu bakış açısını destekleyen önemli bir yönü, saflıkta yüksek hammaddelere ihtiyaç duymadan, basit üretimlerinden kaynaklanmaktadır; bu silikon bazlı fotovoltaik ler için gerekli yüksek sermaye maliyeti ve ultra saflık ile taban tabana zıttır. Her halükarda, düşük uçuculuğa sahip daha az kararlı elektrolitleri oda sıcaklığında iyonik sıvılarla (RTL’ ler) değiştirerek DSC’lerin çalışma ömrü zaman ölçeklerini önemli ölçüde iyileştirme olasılığı önemli bir umut vaat eder. RTL’lerin katı benzeri fiziksel özellikleri, sıvı benzeri elektriksel özellikleri (düşük toksisite, yanılabilirlik ve uçuculuk gibi)1 bunlardc uygulamalarında kullanım için oldukça mükemmel aday elektrolitler oluşturur.
DSC’lerde RTL’ler için bu tür beklentiler göz önüne alındığında, son yıllarda, RTILs ile DSC-prototip N719-kromophore / titania arayüzleri çalışmada faaliyet önemli bir artış olmuştur pek şaşırtıcı değildir. Özellikle, bu tür sistemler üzerinde önemli çalışmalar yapılmıştır2,3,4,5, boyalar şarj-ikmal kinetiği de dahil olmak üzere fizik-kimyasal süreçlerin geniş bir paketi düşünün2,5,elektron-delik dinamikleri ve transfermekanistikadımları 3 , ve, tabii ki, bu üzerine titania yüzeylerin nanoölçekli doğa etkileri, ve diğer, süreçler4.
Şimdi, DFT tabanlı moleküler simülasyon, özellikle AIMD etkileyici gelişmeler akılda6, malzeme biliminde ve özellikle DSC’ler için son derece yararlı bir prototip tasarım aracı olarak7,8,9,10,11, optimal fonksiyonel seçilimin kritik değerlendirmesi hayati önem taşıyor8,9, AIMD teknikleri daha önce boya yapısı, adsorpsiyon modları ve DSC-semiiletken yüzeylerde titreşim özellikleri üzerinde oldukça önemli dağılım ve açık-RTIL solvation etkileri inceleyerek çok yararlı kanıtlamıştır. Özellikle AIMD’nin benimsenmesi, bant boşluğu gibi önemli elektronik özelliklerin makul, yarı nicel olarak ele geçirilmesi ve tahmin edilmesinde ve yapısal bağlamada bazı başarılara yol açmıştı.13ve titreşim spektrumları14Hakemlerde. 12-14, AIMD simülasyonları foto-aktif N719-kromofor boya (101) anataz-titania yüzeyine bağlı, hem elektronik özellikleri hem de yapısal özellikleri hem de [bmim] varlığında değerlendiren yoğun olarak yapıldı+[NTf2]–12,13ve [bmim]+[I]–14RTILs, [bmim] durumunda titreşim spektrumları ek olarak+[I]–14. Özellikle, yarı iletken yüzeyinin rijitliği15, doğal karşılaştırmalı fotoğraf aktivitesi dışında, (101) anataz arayüzleri yapar AIMD simülasyon, içinde biraz değiştirmek için yüzey açtı12,13,14uygun bir seçimdir. Ref. 12’nin gösterdiği gibi, katyonlar ve yüzey arasındaki ortalama mesafe yaklaşık 0,5 Å düştü, katyonlar ve anyonlar arasındaki ortalama ayrım 0,6 Å azaldı ve katyonun aver’de olduğu ilk katmandaki RTL’lerin gözle görülür şekilde değiştirilmesi boyanın merkezinden daha fazla yaş 1.5 Å, doğrudan RTIL-solvated sistemlerde açık dağılım etkileşimleri neden oldu. Adsorbed N719 boya yapılandırmasının fiziksel olmayan bükülme de vacuo açık dağılım etkilerinin bir sonucu ydu. Ref. 13’te, açık RTIL solvasyonu nun ve fonksiyonel seçilimin bu yapısal etkilerinin DSSC’lerin davranışını etkileyip etkilemediği konusunda analiz ler yapılmış ve dağılım da hem de açık solvasyonun çok önemli olduğu sonucuna varılmıştır. Ref. 14’te, diğer grupların yüksek kaliteli deneysel titreşim-spektral verileri ile, belirli etkiler sistematik olarak hem açık [bmim] üzerinde ölçüldü+[I]–reflerde kurulan dağılım ve dağılım doğru işleme. 12 & 13 belirgin spektral mod özelliklerinin çoğaltılması üzerine; bu açık solvasyon önemli olduğu sonucuna yol açtı, dağılım etkileşimleri doğru tedavi yanında, açık çözücü katalizörlerAIMD modelleme durumunda hem yapısal hem de dinamik özellikleri için önceki bulgular yankılanan16. Nitekim, Mosconi ve ark. ayrıca DSC simülasyonDFT tedavisi üzerinde açık-solvation etkileri etkileyici bir değerlendirme yaptık17. Bahers ve ark.18TD-DFT düzeyinde ilgili spektrumile birlikte boyalar için deneysel emilim spektrumları incelenmiştir; bu TD-DFT spektrumları deneysel muadilleri ile hesaplanmış geçişleri açısından çok iyi anlaştılar. Buna ek olarak, pirrolidin (PYR) türevlerinin emilim spektrumları Preat ve ark.19, boyaların geometrik ve elektronik yapıları hakkında önemli bilgiler sağlamak ve pir tabanlı DSSC’lerin özelliklerini optimize etmeye hizmet eden yeterli yapısal modifikasyonları ortadan kabsallandırmak – simülasyona dayalı/rasyonalize edilmiş ‘moleküler tasarım’ ruhu.
DSC’lerin özelliklerinin ve işlevinin doğru modelilmesine yönelik hem DFT hem de AIMD’nin önemli katkısını açıkça ortaya koyarak, yapısal, elektronik vetitreşimsel standpoints7,8,9,10,11,12,13,14, şimdi – açık solvation ve dağılım etkileşimlerinin uygun tedavi gibi önemli teknik konular da dahil olmak üzere – mevcut çalışma – odak ne kadar iyi ampirik-potansiyel yaklaşımlar apposite ve bu tür prototip dsc sistemlerinin yapısal ve titreşimsel özellikleri makul tahmin adresine uyarlanmış olabilir pragmatik soru doğru döner, anataz üzerinde adsorbed N719 boya alarak (101) anataz üzerinde adsorbed (101) içinde [ bmim]+[NTf2]– RTIL noktada bir durum olarak. Bu önemli, sadece forcefield tabanlı moleküler simülasyon faaliyetleri ve metodolojik makine dsc simülasyonu7 mücadele için mevcut büyük korpus nedeniyle , ve metal-oksit yüzeyleri daha yaygın olarak, ama aynı zamanda şaşırtıcı derecede azaltılmış hesaplama maliyeti vis-à-vis DFT tabanlı yaklaşımlar nedeniyle, birlikte daha verimli faz alanı ve yapısal evrim ivis vis cocos, Rtilcos, yapısal evrim yakalamak için önyargılı örnekleme yaklaşımları çok verimli bağlantı olasılığı ile ortam sıcaklıklarında katı benzeri fiziksel özellikleri hakim. Bu nedenle, hem DFT hem de AIMD tarafından bilgili olan forcefield yaklaşımlarının yanı sıra titreşimsel spektrum14için deneysel verilerle bilgilendirilen bu açık kuvvet alanı yaklaşımından motive olarak, N719 boyanın atomik hız otokorelasyon fonksiyonunun (VACF) kütle ağırlıklı Fourier dönüşümlerini kullanarak MD’den gelen titreşim-spektrum tahmininde ampirik-potansiyel performansı değerlendirme görevine yöneliyoruz. Bir önemli endişe RTIL farklı kısmi-şarj parametreizasyonları titreşim-spektrum tahmin etkileyebilir nasıl, ve özellikle dikkat bu noktaya verildi, hem de en iyi spektral mod tahmin için en iyi spektral mod tahmin için kuvvet alanları terzilik daha geniş bir görev ve AIMD20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ab initio simülasyon teknikleri gerçekleştirmek için pahalı ve bu nedenle çok daha uzun zaman ölçeklerinde simülasyon gerçekleştirmek için en azından bazı DSC sistemi için ampirik forcefields kullanımını gerektirir. Bu amaçla, MD için ampirik, klasik simülasyon kuvvet alanı kullanılarak [bmim]+[NTf2]– solvated arabiriminden eşdeğer bir atomistik model oluşturuldu. Anataz Matsui-Akaogi (MA) forcefield kullanılarak modellenmiştir, boya yapısı Ise OPLS parametreleri kullan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar yararlı tartışmalar ve Bilim Vakfı İrlanda (SFI) Yüksek Performanslı Bilgi işlem kaynaklarının sağlanması için Prof David Coker teşekkür ederiz. Bu araştırma, SFI-NSFC ikili finansman programı (hibe numarası SFI/17/NSFC/5229) ve Avrupa Bölgesel Kalkınma Fonu tarafından ortaklaşa finanse edilen Üçüncü Düzey Kurumlararaştırma Programı (PRTLI) Döngüsü 5 tarafından desteklenmiştir.
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) |
References
- Ohno, H. . Electrochemical aspects of ionic liquids. , (2011).
- 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).
- 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).
- Bai, Y., Mora-Seró, I., De Angelis, F., Bisquert, J., Wang, P. Titanium Dioxide Nanomaterials for Photovoltaic Applications. Chimerical Reviews. 114, 10095-10130 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lyons, C., et al. Silicon-bridged triphenylamine-based organic dyes for efficient dyesensitised solar cells. Solar Energy. 160, 64-75 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bahers, T. L., et al. Modeling Dye-Sensitized Solar Cells: From Theory to Experiment. Journal of Physical Chemistry Letter. 4, 1044-1050 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schiffmann, F., et al. Protonation-dependent binding of ruthenium bipyridyl complexes to the anatase surface. Journal of Physical Chemistry C. 114, 8398-8404 (2010).
- 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).
- Hoover, W. G. Canonical dynamics: equilibrium phase-space distributions. Physical Reviews A. 31, 1695 (1985).
- Allen, M. P., Tildesley, D. J. . Computer Simulation of Liquids. , (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hoffmann, R. An Extended Hückel Theory. I. Hydrocarbons. Journal of Chemical Physics. 39, 1397-1412 (1963).
- Chemical Computing Group. . Molecular Operating Environment software. , (2019).
- 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).
- León, C. . Vibrational Spectroscopy of Photosensitizer Dyes for Organic Solar Cells. , (2006).
