КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-73-20090

НазваниеСинтез новых супрамолекулярных систем на основе дендримерных фталоцианинов d-металлов со свойством фотоиндуцированного переноса электрона для фотовольтаических устройств.

РуководительБичан Наталия Геннадьевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук, Ивановская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2024 г. 

Конкурс№51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Анализ химических, биологических систем и природных материалов: масс-спектральная микроскопия и фемтосекундная лазерная микроскопия-спектроскопия.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-203 - Химия координационных соединений

Ключевые словаДендримерные фталоцианины d-металлов, карбазол, антрацен, супрамолекулярные системы, фотоиндуцированный перенос электрона, кинетика, термодинамика, спектральные свойства, фотоактивность, фототок

Код ГРНТИ31.17.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике является актуальной проблемой современного общества. Солнечные элементы нового поколения широко исследуются как источники относительно дешевого и экологически безопасного способа преобразования солнечной энергии в электричество. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы химии и науки о материалах, связанной с поиском и разработкой стратегий получения искусственных фотосинтетических систем, перспективных в качестве компонентов для фотоактивных материалов. Фталоцианины привлекают внимание как перспективные строительные блоки различных молекулярных материалов, которые могут быть актуальны в области нанотехнологий и фотовольтаики. Так, являясь прекрасными донорами электронов, металлофталоцианины могут образовывать фотоактивные супрамолекулы с акцепторными лигандами со способностью к фотоиндуцированному переносу зарядов. А как известно, фотоиндуцированное разделение заряда - фундаментальный процесс необходимый как для естественного фотосинтеза, так и для преобразования солнечной энергии. Поэтому, в данном проекте предусматривается реализация идеи получения новых высокозамещенных фталоцианиновых комплексов d-металлов (Zn, Co, Mn) с дендримерным ветвлением, супрамолекулярных систем на их основе с якорными и антраценсодержащими лигандами. Модификация аксиальной оси макрогетероциклических комплексов якорными лигандами (изоникотиновая кислота и т.д.) будет обеспечивать связь с поверхностью фотоанода. А введение дендримерного ветвления, не только по периферии, но и по аксиальной оси (антраценсодержащие дендримерные лиганды различных генераций) приведет к улучшения фотоактивных свойств супрамолекул. При выполнении данного проекта будут также впервые получены надмолекулярные фталоцианиновые системы с дендримерным ветвлением по периферии и аксиальной оси, содержащие в своем составе хромофорные карбазольные и антраценовые фрагменты. Исследование фотоиндуцированного переноса электрона в таких системах является ключевым моментом, так как понимание данного процесса необходимо не только с фундаментальной точки зрения выявления основных закономерностей влияния химической структуры комплексов на важнейшие параметры, такие как время жизни состояния с разделением заряда, скоростей разделения и рекомбинации заряда, но и обязательно при разработке компонентов для фотоактивных материалов, так как именно эти характеристики будут важны для эффективного преобразования солнечной энергии. Таким образом, конечным результатом выполнения проекта является получение супрамолекулярных систем на основе новых дендримерных фталоцианинов d-металлов, перспективных для использования в фотовольтаических ячейках, обеспечивающих стабильные и воспроизводимые фотоэлектрохимические характеристики и высокую конверсию световой энергии.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будут синтезированы новые дендримерные высокозамещенные, карбазолфункционализированные фталоцианины различных генераций и их комплексы с d - металлами (Zn, Co, Mn). Также будут получены фотоактивные надмолекулярные системы на их основе, способные к фотоиндуцированному разделению заряда, содержащие дендримерные антраценсодержащие лиганды, донорно-акцепторные комплексы дендримерных фталоцианинов d-металлов с якорными лигандами с карбоксильной группой для связи с поверхностью фотоанодов. Для всех полученных соединений будет проведен детальный анализ их химической структуры и определены важнейшие электронооптические характеристики (УФ, видимая, флуоресцентная, ИК, ЯМР спектроскопия, масс-спектрометрия, MALDI-TOF и элементный анализ), необходимые как для установления фундаментальных закономерностей «структура-свойство», так и для их дальнейшего практического использования в качестве фотоактивных компонентов для различных фотовольтаических устройств. Будет проведено прогностическое квантово-химическое моделирование, получены энергетические, геометрические, электронные параметры структур синтезированных комплексов и донорно-акцепторных систем на их основе, а также возможные механизмы реакций образования и организации надмолекулярных структур. Экспериментально будут определены кинетические и термодинамические параметры реакций образования новых надмолекулярных систем, установлен механизм данных процессов. Выявлены зависимости скорости образования, устойчивости полученных новых супрамолекул от химического строения компонентов системы, условий их образования (растворитель, температура, концентрации компонентов системы). Важным аспектом исследования будет получение данных о существовании переходного состояния с разделением заряда в данных системах, обнаружения радикальных ионных пар, измерения кинетики их образования и затухания, а также для определения их времени жизни методом фемтосекундной абсорбционной спектроскопии. Таким образом, будут получены результаты о фотоиндуцированных процессах переноса электрона, об основных спектральных и электронооптических характеристиках и их зависимости от химического строения; будут выявлены закономерности влияния химической структуры комплексов на их координирующую способность по отношению к различным субстратам (изоникотиновой кислоте, дендримерным антраценсодержащим лигандам) и способности к самосборке надмолекулярных систем. Все полученные данные являются значимыми не только с точки зрения фундаментальных аспектов химии макрогетероциклических и дендримерных соединений и образования супрамолекулярных систем, но и необходимы для дальнейшего их использования при разработке фотовольтаических ячеек, что и является следующим этапом работы. Синтезированные в ходе проекта новые фталоцианиновые комплексы с дендримерным ветвлением и донорно-акцепторные системы на их основе с якорными лигандами, содержащими карбоксильные группы, для связи с поверхностью фотоанода, будут использованы в ячейках сенсибилизированных красителем (DSSC). Так же эти металлопорфирины будут выступать в качестве донорных платформ для построения супрамолекул, содержащих антрацен-дендримерные лиганды. Такие надмолекулярные донорно-акцепторные комплексы, способные к фотоиндуцированному разделению заряда, также представляют интерес в качестве активного слоя в фотовольтаических ячейках. Будут проведены фотоэлектрохимические испытания полученных модифицированных фотоанодов; будет получен их фотоэлектрохимический отклик (фотопотенциал, фототок); будут рассчитаны параметры, характеризующие эффективность преобразования падающего света. Будут выявлены основные факторы и условия необходимые для получения модифицированного синтезированными соединениями фотоанода с наилучшими, устойчивыми и воспроизводимыми фотоэлектрохимическими показателями, а именно химическая структура, состав супрамолекулы, условия получения модифицирующей плёнки. Будут получены результаты сравнительных исследований фотоэлектрохимических свойств фуллеренсодержащих и безфуллереновых донорно-акцепторных систем, способных к фотоиндуцированному разделению заряда. Выявленные закономерности дадут возможность развитию научных основ для создания систем управления дизайном новых фотоактивных компонентов на основе макрогетероциклов. Новые данные, полученные в ходе выполнения проекта, будут иметь значимость для активно развивающегося направления поиска фотоактивных соединений для альтернативных источников энергии, которому в мировой научной литературе, уделяется огромное внимание [1-15]. Полученные результаты будут способствовать созданию новых материалов для фотовольтаических технологий и позволят расширить знания в области стратегии синтеза фотоактивных молекулярных архитектур. Позволят расширить альтернативы при поиске эффективных компонентов для фотовольтаических устройств. Это внесет вклад в развитие данного научного направления. Полученные в ходе выполнения Проекта результаты будут иметь потенциал практического применения в области разработки различных фотовольтаических устройств (сенсибилизированные красителем – DSSC, органические солнечные ячейки – OSC), основным преимуществом которых является их гибкость. Благодаря этому свойству, появляется возможность их применения, там где другие альтернативные солнечные батареи использовать невозможно. Это позволит дополнить работу, таких альтернативных источников энергии, как кремниевых батарей, по решению энергетического и экологического вопроса. Значимость и актуальность научной проблемы данного проекта подтверждается тем, что её решение направлено на выполнение задач в рамках одного из направлений в Стратегии научно-технологического развития: переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии. Реализация данного проекта также даст возможность развития, получения значимых результатов мирового уровня в области искусственных фотосинтетических систем на основе макрогетероциклов и закрепления в научной сфере коллектива ученых из Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук (Иваново), ФГБОУ ВО "Ивановского государственного химико-технологического университета", Исследовательского института физической и органической химии Южного федерального университета, Ростов-на-Дону и ОИ «Анализ химических, биологических систем и природных материалов: масс-спектральная микроскопия и фемтосекундная лазерная микроскопия-спектроскопия», Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, г Москва. 1. J.-H. Yum , J.-W. Lee, Y. Kim, R. Humphry-Baker, N.-G. Park, M. Grätzel // Solar Energy. 2014. V. 109. P. 183-188. 2. L.N. Inasaridze, A.I. Shames, I.V. Martynov, B. Li, A.V. Mumyatov, D.K. Susarova, E.A. Katz, P.A. Troshin // J. Mater. Chem. A. 2017. V. 5. P. 8044-8050. 3. F. Arkan, M. Izadyar // Solar Energy. 2017. V. 146. P. 368-378. 4. G.D. Sharma, P.A. Angaridis, S. Pipou, G.E. Zervaki, V.Nikolaou, R. Misra, A.G. Coutsolelos // Organic Electronics. 2015. V. 25. P. 295-307. 5. K. Gao, L. Li, T. Lai, L. Xiao, Y. Huang, F. Huang, J. Peng, Y. Cao, F. Liu, T.P. Russell, R.J. Janssen, X.P. Deep // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. P. 7282-7285. 6. P.A. Troshin, A.S. Peregudov, S.I. Troyanov, R.N. Lyubovskaya // Rus. Chem. Bull. 2008. V. 57. P. 887-912. 7. B. KC. Chandra, F. D'Souza // Coord.Chem. Rev. 2016. V. 322. P. 104-141. 8. O. Trukhina., M. Rudolf, G. Bottari, T. Akasaka, L. Echegoyen, T. Torres, D.M. Guldi // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. P. 12914-12922. 9. G. Bottari, O. Trukhina, M. Ince, T. Torres // Coord. Chem. Rev. 2012. V. 256. P. 2453-2477. 10. G.N. Lim, W.A. Webre, F. D’Souza // J. Porphyrins Phthalocyanines. 2015. V. 19. P. 1-11. 11. N.G. Bichan, E.N. Ovchenkova, N.O. Kudryakova, T.N. Lomova // J. Coord. Chem. 2017. V. 70. P. 2371-2383. 12. E.N. Ovchenkova, N.G. Bichan, N.O. Kudryakova, A.A. Ksenofontov, T.N. Lomova // Dyes and Pigments. 2018. V. 153. P. 225-232. 13. M.-E. Ragoussi, T.Torres // Chem. Com. 2015. V. 51. P. 3957-3972. 14. P.K. Poddutoori, G.N. Lim, S. Vassiliev, et al. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2015. V.17. №. 39. P. 26346. 15. N. Ovchenkova, N.G. Bichan, A.A. Tsaturyan, N.O. Kudryakova, M. S. Gruzdev, F.E. Gostev, I.V. Shelaev, V.A. Nadtochenko, T.N. Lomova. // J. Phys. Chem. C 2020. V. 124. P. 4010-4023.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках решения фундаментальной проблемы химии и науки о материалах, связанной с поиском и разработкой стратегий получения искусственных фотосинтетических систем, перспективных в качестве компонентов для фотоактивных материалов был проведен синтез высокозамещенных фталоцианиновых комплексов d-металлов (Zn, Co, Mn) и донорно-акцепторных систем на их основе. В качестве аксиальных лигандов были использованы производные фенилантрацена, зарекомендовавшие себя акцепторы- фуллеро[60/70]пирролидины; никотиновая и изоникотиновая кислота, в качестве якорных лигандов, обеспечивающих связь с поверхностью фотоанодов. При исследовании самосборки супрамолекулярных систем со свойством фотоиндуцированного разделения заряда был определен механизм данных процессов, получены кинетические и термодинамические параметры. Методом флуоресцентной спектроскопии были проведены исследования реакций самосборки супрамолекулярных систем в толуоле, образованных за счет межмолекулярных взаимодействий, на основе октакис-3,5-ди-трет-бутилфенокси-замещенного фталоцианина (H2Pc) и фуллеренов С60/С70, 9-фенилантрацена (An). Установлено, что во всех случаях состав комплексов соответствует соотношению 1:1. Константы Штерна-Фольмера и константы связывания по уравнению Бенези-Хильдебранда для полученных систем можно расположить в ряд: H2Pc(C70) > H2Pc(C60)> H2Pc(An). Более сильное связывание С70 связано с тем, что большее количество пи-пи взаимодействий с фталоцианином находятся в плоской экваториальной области фуллерена. При изучении реакций с зарекомендовавшими себя в качестве акцепторных лигандов – фуллеро[60/70]пирролидинами, было установлено, что фталоцианины кобальта и марганца образуют супрамолекулярные системы 1:1. Реакции были изучены спектрофотометрическим методом в среде толуола методом молярных отношений и методом избыточных концентраций. Механизм образования таких систем для фталоцианинов кобальта(II) и марганца(III) различен. Для фталоцианина кобальта(II) характерен процесс координации фуллеро[60/70]пирролидинов во времени, для фталоцианина марганца(III) удается установить мгновенную координацию фуллеропирролидина и последующую медленную стадию, которая соответствует вытеснению ацетат-иона во вторую координационную сферу. Для расширения дизайна фотоактивных систем была проведена разработка оптимальных условий для получения супрамолекул на основе фталоцианинов Zn(II), Co(II), Mn(III) и 4-(10-фенилантрацен-9-ил)пиридина. Спектрофотометрическим методом было установлено, что в ходе реакций в толуоле образуются донорно-акцепторные диады состава 1:1. При добавлении антраценового лиганда к фталоцианиновым комплексам цинка и марганца наблюдалось тушение флуоресценции комплексов фталоцианинов, что указывает на тесную связь донора и акцептора и подтверждает возможность переноса электрона в данных системах. При изучении реакций координации изоникотиновой кислоты установлено, что конечными продуктами в случае реакций в тетрагидрофуране с фталоцианинами цинка и марганца являются комплексы 1:1, для фталоцианина кобальта характерно образование комплексов состава 2:1. Для выявления зависимости структуры якорного лиганда на устойчивость и на состав конечного продукта, для фталоцианина кобальта была также изучена реакция координации никотиновой кислоты. Константы устойчивости (Isonic)2CoPc и (Nic)2CoPc равны 9.14*104 и 2.92*105 л2/моль2. Значения с учетом ошибки достаточно близки, это подтверждается также данными квантово-химических расчетов. Возможность образования супрамолекулярных систем, получение их важнейших спектральных характеристик, подтверждение механизмов их образования позволяет расширить возможности дизайна фотоактивных систем и подтверждает актуальность исследования их спектров фотоиндуцированного поглощения с фемтосекундным временным разрешением. При решении важной задачи, связанной с изучением процесса переноса электрона и получение параметров, характеризующих его в синтезированных соединениях, был применен метод фемтосекундной абсорбционной спектроскопии. Исследования возбужденных электронных состояний макрогетероциклических комплексов и супрамолекулярных систем на их основе были проведены на оборудовании ОИ «Анализ химических, биологических систем и природных материалов: масс-спектральная микроскопия и фемтосекундная лазерная микроскопия-спектроскопия». Известно, что донорно-акцепторные системы на основе порфиринов/фталоцианинов цинка способны к фотоиндуцированному переносу электрона, данный процесс для макрогетероциклических комплексов на основе кобальта и марганца в настоящее время практически не изучен. В связи с этим наряду с комплексами цинка, особое внимание было уделено получению новых данных о фотоиндуцированных процессах в макрогетероциклических комплексах кобальта и марганца и супрамолекулярных системах ни их основе. Были исследованы возбужденные электронные состояния фталоцианинов кобальта и марганца, содержащих (октакис-3,5-ди-трет-бутилфенокси)-заместители периферии макроцикла, в различных растворителях. Установлено, что самая медленная рекомбинация наблюдается для кобальт фталоцианина в 1,2-дихлорбензоле и составляет 26.86 пс. Временной профиль поглощения (AcO)MnPc при 550 нм хорошо описывается триэкспоненциальной функцией, показывая два коротких времени жизни 0.68 и 15.89 пс и заметную составляющую длительного времени жизни 111.24 пс. Таким образом, замена атома металла во фталоцианиновом комплексе способствует изменению времени жизни возбужденного состояния. Получены данные о временах разделения и рекомбинации зарядов в супрамолекулярных системах на основе фталоцианинах кобальта и марганца с акцепторами различной природы. Подтвержден процесс фотоиндуцированного переноса в данных системах. Установлено, что время разделения и рекомбинации зарядов зависят не только от природы акцептора, но и от тонкого изменения его структуры. Так меняя положение азота в пиридильном заместителе порфирина золота (выступающего в качестве акцептора) в супрамолекулярной системе на основе октакис-3,5-ди-трет-бутилфенокси-замещенного фталоцианина кобальта, время рекомбинации заряда можно замедлить в 2 раза. При использовании фуллеренов С60 и С70 в системах на основе замещенного фталоцианина марганца, было установлено, что более быстрым разделением и медленной рекомбинацией характеризуется донорно-акцепторный комплекс фуллеро[60]пирролидином, чем с производным С70. Впервые было показано, что системы на основе карбазолсодержащих порфиринов кобальта с фуллеро[60/70]пирролидинами способны к фотоиндуцированному разделению зарядов, времена рекомбинации зарядов равны 19.43 и 20.65 пс для систем с производными С60 и С70, соответственно. Введение якорных лигандов, также отражается на образовании возбужденных состояний комплексов. Так время жизни состояния с разделением зарядов для комплексов CoPc с никотиновой и изоникотиновой кислотой равны 2.39 и 2.04 пс, соответственно, что на 18 и 5% выше, чем для свободного CoPc. Полученные данные показывают перспективные возможности управления возбужденным состоянием комплексов, что является актуальным при разработке оптимальных условий для получения систем с фотоиндуцированным переносом электрона. Для синтезированных замещенных фталоцианинов цинка(II), кобальта(II) и марганца(III) и донорно-акцепторных систем с 4-(10-фенилантрацен-9-ил)пиридином и якорными лигандами была проведена оптимизации пространственного и электронного строения в рамках приближения теории функционала плотности (DFT). Проведенный анализ ВЗМО и НСМО исследуемых систем показал, что энергетический зазор между ВЗМО и НСМО для исследованных фталоцианинов и донорно-акцепторных систем лежит в узком диапазоне энергий от 1.94 до 2.02 эВ. Для донорно-акцепторных комплексов была проведена оценка энергий связывания. В случае замещенного фталоцианина кобальта первой и второй генерации, содержащей (октакис-3,5-ди-трет-бутилфенокси)-заместители, с никотиновой и изоникотиновой кислотой было установлено, что положение карбоксильной группы в пиридиновом кольце кислоты не оказывает существенного влияния на энергию связывания донорно-акцепторной системы. Проведенное моделирование электронных спектров поглощения фталоцианиновых комплексов и донорно-акцепторных систем на их основе показали хорошую сходимость с экспериментальными данными. В результате электрохимических исследований методом цикло-вольтамперометрии получены данные по окислительно-восстановительному поведению фталоцианиновых комплексов и донорно-акцепторных систем на их основе. Введение аксиальных лигандов сопровождается сдвигом окислительно-восстановительных потенциалов, что подтверждает образование донорно-акцепторных комплексов. Проведенные исследования фотоэлектрохимической активности фотоанодов модифицированных синтезированными соединениями показали, что пленки-модификаторов на основе синтезированных соединений являются фоточувствительными. Значения плотности фототока для титанового электрода, модифицированного донорно-акцепторными системами на основе металлофталоцианинов в короткозамкнутой электрохимической ячейке Ti|пленка|0.5 моль/л Na2SO4|Pt, лежат в интервале от 240 до 270 мкА/см2, что больше в 2,5 раза, чем для отдельных компонентов. Основываясь на полученных предварительных данных о фотоактивности фталоцианиновых комплексов на титановых фотоанодах и о способности координировать якорные лиганды, был подготовлен FTO/TiO2 электрод, модифицированный фталоцианиновыми комплексами кобальта с якорным лигандом (изоникотиновая кислота). Значение плотности фототока для такой ячейки при облучении λ = 365 нм равно 50.67 мкА/см2. В результате проделанной работы были синтезированы фотоактивные макрогетероциклические комплексы цинка, кобальта, марганца и донорно-акцепторные системы на их основе, установлены механизмы их образования, получены основные спектральные характеристики, получена информация о их возбужденных электронных состояниях методом фемтосекундной абсорбционной спектроскопии, проведены предварительные фотоэлектрохимические испытания в короткозамкнутой электрохимической ячейке Ti|пленка|0.5 моль/л Na2SO4|Pt, подобраны условия для получения сенсибилизированных FTO/TiO2 фотоанодов с воспроизводимыми фотоэлектрохимическими характеристиками.

 

Публикации

1. Е.Н. Овченкова, Н.Г. Бичан, Ф.Е. Гостев, И.В. Шелаев, В.А. Надточенко, Т. Н. Ломова The donor–acceptor dyad based on high substituted fullero[70] pyrrolidine-coordinated manganese (III) phthalocyanine for photoinduced electron transfer Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, V. 263, аrticle number 120166 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.120166


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Получение новых искусственных фотосинтетических систем на основе тетрапиррольных макроциклических комплексов и акцепторов различной природы лежит в рамках направления исследований, связанных с созданием перспективных компонентов для различных фотовольтаических ячеек. Для решения научной задачи проекта, связанной с поиском и разработкой стратегий синтеза высокозамещенных фталоцианиновых комплексов d-металлов с дендримерным ветвлением и новых фотоактивных надмолекулярных систем на их основе, были синтезированы фталоцианиновые комплексы Zn(II) и Co(II), содержащие на периферии макроцикла карбазольные и (ди-трет-бутилфенокси)-группы. Для построения супрамолекулярных систем, способных к фотоиндуцированному переносу электрона, получены соединения, выполняющие роль акцепторов в системах: антраценсодержащие, фуллереновые лиганды. Изучены реакции самосборки новых донорно-акцепторных комплексов, получены основные спектральные характеристики супрамолекулярных систем в основном и возбужденном состоянии. Установлено, что при образовании донорно-акцепторных комплексов на основе октакис-3,5-ди-трет-бутилфенокси-замещенного фталоцианина (H2Pc) и фуллеренов С60/С70, 9-фенилантрацена (PhAn) имеет место статический механизм тушения флуоресценции, что подтверждено методом время-разрешенной флуоресценции. Время жизни флуоресценции H2Pc в присутствии разной концентрации акцепторов C60/C70/PhAn остается постоянным, значения равны 6.087/6.072/6.086 нс, соответственно. Наши исследования показали, что макрогетероциклические комплексы Co(II) подходят для использования их в качестве донорных платформ для построения супрамолекул со свойством фотоиндуцированного переноса электрона. Поэтому были продолжены исследования по получению таких систем. Реакцией самосборки получены триады на основе (5,10,15,20-тетра-4-толил-21Н,23Н-порфинато)кобальта(II) (CoTTP) с фуллереном С60 и 1-метил-2-(пиридин-4’-ил)-3,4-фуллеро[60]пирролидином (PyC60). Установлено, что флуоресценция C60/PyC60 гасится после постепенного добавления CoTTP при возбуждении на длине волны 450 нм. Константы тушения флуоресценции (KSV) оказались равными (5.47±1.34)×104 и (5.66±0.45)×103 л/моль для (PyC60)2CoTTP и (C60)2CoTTP, соответственно. Проведен подбор условий проведения реакций самосборки новых дендримерных карбазолфункионализированных фталоцианинов Zn(II) и Co(II) c фуллеро[60]пирролидином. Образование донорно-акцепторной диады PyC60 с (2,3,9,10,16,17,23,24-октакис-(3,6-ди-трет-бутил-9H-карбазол)фталоцианинато)цинком(II) (ZnPc(Carb)8) сопровождается тушением флуоресценции фталоцианина, что подтверждает возможность переноса электрона в данных системах. KSV для полученной диады равна (4.0±0.5)×104 л/моль. Установлено, что фталоцианиновые комплексы Zn(II) и Co(II) образуют донорно-акцепторные системы с PyAn, 4-(10-(3,5-бис(10-фенилантрацен-9-ил)фенил)антрацен-9-ил)пиридином (PyAn2) по связям металл-азот. При добавлении антраценовых лигандов к фталоцианиновым комплексам цинка в толуоле также наблюдается тушение флуоресценции фталоцианина цинка. Время жизни флуоресценции ZnPc(Carb)8 без добавок и с добавками PyAn совпадают и составляет 2.3 нс. Была изучена флуоресценция PyAn/PyAn2 с добавками кобальта(II)фталоцианинов. Интенсивность флуоресценции PyAn/PyAn2 тушится после постепенного добавления фталоцианинов кобальта(II) первой и второй генерации, содержащих (ди-трет-бутилфенокси)- или карбазольные заместители, при возбуждении на длине волны 380 нм. Методом флуоресцентного титрования количественно были изучены реакции PyAn с CoPc и CoPc(Carb)8, с целью установления влияния структуры фталоцианинового макроцикла на эффективность тушения флуоресценции PyAn. Установлено, что введение на периферию фталоцианинового макроцикла карбазольных заместителей способствует более быстрому тушению флуоресценции и образованию более устойчивого донорно-акцепторного комплекса. Исследования процесса переноса электрона в синтезированных соединениях были проведены на оборудовании ОИ «Анализ химических, биологических систем и природных материалов: масс-спектральная микроскопия и фемтосекундная лазерная микроскопия-спектроскопия». Методом фемтосекундной абсорбционной спектроскопии был исследован процесс переноса и определены времена жизни состояний с разделением заряда в триадах (PyC60)2CoTTP и (C60)2CoTTP. Возбужденное состояние в триадах (PyС60)2CoTТP и (С60)2CoTТP образуется за 0.12 и 0.10 пс и их время жизни составляет 7.28 и 14.53 пс, соответственно. Было исследовано возбужденное электронное состояние PyAn в толуоле. Обнаружено, что сигнал полосы поглощения в возбужденном состоянии нарастает за 8.7 пс. Через 9 пс интенсивность уменьшается в пределах наносекундного временного интервала. Были продолжены исследования донорно-акцепторных систем на основе октакис(3,5-ди-трет-бутилфенокси)фталоцианина марганца(III) ((AcO)MnРс) и CoРс, полученных в прошлый отчётный период. В качестве акцепторного лиганда использовали PyAn. Время жизни возбужденного состояния (AcO)MnPc•+ в диаде с PyAn описывается трехэкспоненциальной зависимостью и самая длительная составляющая времени жизни равна 1.15 нс. Время жизни возбужденного состояния в случае CoPc и (PyAn)CoPc ниже по сравнению с марганцевыми аналогами. Стоит отметить, что координация PyAn способствует увеличению времени жизни возбужденного состояния в 7 и 10 раз в случае (AcO)(PyAn)MnPc и (PyAn)CoPc, соответственно, что является важным при рассмотрении их в качестве компонентов различных фотоактивных молекулярных материалов. Чтобы оценить влияние природы заместителей во фталоцианиновом макроцикле, были проведены фемтосекундные исследования карбазол-замещенных фталоцианинов цинка и кобальта и их диад с акцепторами различной природы, а именно зарекомендовавшим себя замещенным фуллереном (PyC60) и антрацензамещенным лигандом (PyAn). Время жизни возбужденного состояния равны 882.6 пс для ZnPc(Carb)8•+ и 0.76 пс для CoPc(Carb)8•+. Анализ полученных данных для карбазолсодержащих фталоцианинов и их донорно-акцепторных систем показывает, что все системы способны к быстрому разделению зарядов, наибольшой величиной константы обладает диада (PyAn)ZnPc(Carb)8. Наиболее медленный процесс рекомбинации наблюдается у систем на основе фталоцианинов Co(II). Константы рекомбинации заряда практически не зависят от природы акцептора (PyC60, PhAn). Проведенный анализ орбиталей (DFT расчеты) также подтверждает возможность фотоиндуцированного переноса электрона в изучаемых системах. Методом цикло-вольтамперометрии получены данные по окислительно-восстановительному поведению тетрапиррольных макроциклических комплексов Zn(II) и Co(II) и донорно-акцепторных систем на их основе с акцепторными лигандами. Определена энергия HOMO-LUMO для (C60)2CoTTP и (PyC60)2CoTTP, которая составляет 1.19 и 1.45 В, соответственно. Были получены FTO/TiO2 электроды, модифицированные синтезированными фталоцианинами Zn(II) и Co(II). Наибольшие значения плотности фототока при облучении λ = 365 нм наблюдали для ячеек, в которых в качестве красителя использовали (Isonic)ZnPcCarb8, (Isonic)СoPc (Isonic- якорный лиганд, изоникотиновая кислота), оно составило 83 и 81 мкА/см2, соответственно. Для ячейки с электродом PyAn/FTO/TiO2, где связь с поверхность обеспечивалась за счёт образования связи Ti-N, плотность фототока составила 46 мкА/см2. Для модифицированных FTO/TiO2 электродов получены ЭСП и спектры флуоресценции плёнок, которые подтверждают иммобилизацию молекул. В результате проделанной работы были синтезированы новые фотоактивные супрамолекулярные системы на основе тетрапиррольных макроциклических комплексов и акцепторов различной природы, установлены механизмы их самосборки, получены основные спектральные характеристики в основном и возбужденном состоянии, проведены фотоэлектрохимические испытания титановых, FTO/TiO2 фотоанодов, модифицированных синтезированными соединениями.

 

Публикации

1. Бичан Н.Г., Овченкова Е.Н., Ксенофонтов А.А., Мозгова В.А., Груздев М.С., Червонова У.В., Шелаев И.В., Ломова Т.Н. Meso-carbazole substituted porphyrin complexes: Synthesis and spectral properties according to experiment, DFT calculations and the prediction by machine learning methods Dyes and Pigments, V. 204, 110470 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2022.110470

2. Бичан Н.Г., Овченкова Е.Н., Мозгова В.А., Кудрякова Н.О., Ломова Т.Н. Donor-acceptor dyads based on octakis - substituted cobalt(II) phthalocyanine and different fullero[60/70]pyrrolidines Polyhedron, 222,115908 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.poly.2022.115908

3. Бичан Н.Г., Цатурян А.А., Овченкова Е.Н., Кудрякова Н.О., Гостев Ф.Е., Шелаев И.В., Айбуш А.В., Надточенко В.А., Ломова Т.Н. Donor–acceptor interac-tions of gold(III) porphyrins with cobalt(II) phthalocyanine: chemical structure of products, their spectral characterization and DFT study Dalton Transactions, v. 51, pp. 9072-9084 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/D2DT01182D

4. Е.Н. Овченкова, Н.Г. Бичан, Т.Н. Ломова. Спектры фотоиндуцированного поглощения донорно-акцепторных систем на основе фталоцианинов кобальта(II) и марганца(III) с фемтосекундным временным разрешением Журнал физической химии, т. 96, № 4, с. 502-509 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0044453722040252

5. - «Для преобразования энергии»: российские химики синтезировали новые соединения для создания солнечных батарей RT (ранее Russia Today), - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках решения фундаментальной проблемы химии и науки о материалах, связанной с разработкой и расширением возможностей получения новых фотоактивных молекулярных систем для фотовольтаических приложений, на данном этапе выполнения проекта был проведен синтез ряда тетрапиррольных макроциклических комплексов марганца(III), в том числе дендримерных карбазолсодержащих фталоцианиновых комплексов, подобраны условия для получения донорно-акцепторных систем на их основе с азотсодержащими лигандами, изучены фотоэлектрохимические, спектральные свойства в основном и возбужденном состоянии. Продолжены исследования процессов самосборки донорно-акцепторных систем на основе дендримерных тетрапиррольных комплексов кобальта(II) c замещенным фуллереном. Установлено, что в результате реакций координации N-содержащих лигандов (пиридин, изоникотиновая кислота, 4-(10-фенилантрацен-9-ил)пиридин- PyAn) тетрапиррольными макроциклическими комплексами марганца(III) образуются аксиально координированные комплексы состава 1:1. Состав комплексов был подтверждён методом спектрофотометрического титрования и методом Остромысленского-Джоба. Наибольшее значение константы связывания с Py наблюдается для карбазол-замещенного фталоцианинового комплекса марганца(III) (AcO)MnPcCarb8 K =0.5 ± 0.08 л/моль, это значение выше в 3 раза по сравнению с порфириновым комплексом (AcO)MnTPP. При переходе к (2,3,9,10,16,17,23,24-октакис-(3,6-ди-трет-бутил-9H-карбазол)фталоцианинато)кобальту(II), CoPc(Carb)8, было установлено, что с пиридином образуется донорно-акцепторный комплекс состава 2:1. Константа связывания с первой молекулой пиридина выше на несколько порядков по сравнению с марганцевым аналогом. При изучении реакций замещенных фталоцианиновых комплексов марганца(III) и кобальта(II) с изоникотиновой кислотой наблюдаются такие же закономерности. Методом флуоресцентного титрования количественно были изучены реакции PyAn с порфириновыми и фталоцианиновыми комплексами марганца(III). Установлено, что константа связывания мало зависит от природы макроцикла, а константа тушения флуоресценции уменьшается в 4 раза в случае карбазол-замещенного фталоцианинового комплекса марганца(III) относительно порфириновых комплексов марганца(III). Время жизни флуоресценции PyAn составляет 5.7 нс. Это время остается постоянным при добавлении различных концентраций комплексов марганца(III). Отсутствие изменений времен жизни PyAn подтверждает статический механизм тушения флуоресценции. Также статический механизм тушения флуоресценции характерен для реакции дендримерного порфиринового комплекса кобальта(II) второй генерации, CoP(Carb)8 с 1-метил-2-(пиридин-4’-ил)-3,4-фуллеро[60]пирролидином (PyC60). Время жизни флуоресценции PyC60 остается неизменным и соответствует значению 1.6 нс. Конечным продуктом реакции является аксиально координированный комплекс состава 2:1 (PyC60)2CoP(Carb)8. Константа устойчивости данной триады равна (9.9 ± 2.4) × 10^8 л^2/моль^2. Получены спектральные характеристики новых донорно-акцепторных комплексов методами 1H ЯМР- и ИК-, ЭПР спектроскопии. Анализ полученных данных позволил выявить важнейшие маркеры в спектрах молекулярных систем, по которым можно дополнительно судить об успешности прохождения реакций самосборки. Исследование фотоиндуцированных процессов синтезированных соединениях были проведены на оборудовании ОИ «Анализ химических, биологических систем и природных материалов: масс-спектральная микроскопия и фемтосекундная лазерная микроскопия-спектроскопия». В соответствии c планом проекта особое внимание на данном этапе исследования уделено тетрапиррольным макроциклическим комплексам марганца(III). Важно отметить, что данные о марганцевых комплексах, полученные методом фемтосекундной абсорбционной спектроскопии, в мировой литературе немногочисленны. Поэтому результаты, представленные в данном отчетном периоде, расширяют фундаментальную информацию о возбужденных состояниях таких соединений. Для (AcO)MnPcCarb8 переходный процесс имеет быстрый рост (16 фс на 816 нм), что соответствует времени образования возбужденного состояния S1, и относительно медленное затухание, которое лучше всего описывается биэкспоненциальной функцией с временами жизни 0.52 пс и 5.71 пс, что соответствует распаду из S1 в основное состояние. Для возможности проведения оценки влияния природы макроцикла были изучены возбужденные состояния порфириновых и тетраазапорфиринового комплексов марганца(III). Анализ значений времени образования (τ1) и жизни возбужденных состояний (τ2) показывает, что изменение природы макроцикла оказывает заметное влияние на время жизни возбужденного состояния молекулы. Время жизни первой компоненты для MnPs лежит в диапазоне от 0.2 пс до 1.3 пс, а время жизни второй компоненты варьируется от 6 пс до 96 пс. Время τ2 в среде толуола повышается при введении заместителей в пара-положения фенильных колец по сравнению с незамещенным тетрафенилпорфириновым комплексом марганца(III). Также повышению значения τ2 способствует переход от неполярного к полярному растворителю. В результате исследования диад на основе комплексов марганца(III) c PyAn было выявлено, что координация PyAn способствует уменьшению времени жизни возбужденного состояния по сравнению с исходными порфириновыми комплексами марганца(III). В случае диады на основе карбазол-замещенного фталоцианина марганца (AcO)(PyAn)MnPcCarb8, значение τ2 увеличивается до 7.69 пс. В рамках приближения теории функционала плотности (DFT) была проведена оптимизация пространственного и электронного строения тетрапиррольных макроциклических комплексов марганца(III) и донорно-акцепторных систем на их основе, проведен анализ молекулярных орбиталей. Ориентация осевых молекул почти перпендикулярна макроциклическому ядру. Значение энергии связывания тетрапиррольных макроциклических соединений марганца(III) с аксиально координированным PyAn находится на уровне 18 ккал/моль. Методом циклической вольтамперометрии получены данные по окислительно-восстановительному поведению тетрапиррольных макроциклических комплексов марганца(III) и донорно-акцепторных систем на их основе с PyAn. Анализ значений пиков показывает, что образование молекулярных систем сопровождается сдвигом окислительно-восстановительных потенциалов PyAn, что является еще одним подтверждением образования диад. Были продолжены исследования по получению модифицированных титановых электродов синтезированными тетрапиррольными макроциклическими комплексами d- металлов для фотовольтаических ячеек. На основе полученных в прошлый отчетный период данных было показано, что при модификации электрода СoPc(Carb)8 значения плотности фототока оказались ниже, чем для ZnPc(Carb)8, поэтому были подобраны параметры для более эффективной иммобилизации красителя на фотоанод. В результате замены ДМФА на ТГФ и увеличения времени выдержки FTO/TiO2 электрода в растворе красителя удается увеличить плотность фототока практически в 2 раза (до 68.2 мкА/см^2) для СoPc(Carb)8. Проведен подбор условий для получения модифицированных титановых электродов тетрапиррольными макроциклическими комплексами марганца(III). Установлено, что природа растворителя влияет на иммобилизацию красителя и, соответственно, на значения плотности фототока. Получен FTO/TiO2 электрод, модифицированный 2,5-ди(пиридин-4’-ил)-3,4-фуллеро[60]пирролидином (4-Py2C60). Плотность фототока для ячейки с таким электродом при облучении длиной волны 365 нм равна 36.4 мкА/см^2. Возможность обеспечения замещенным фуллереном функций якорной группы для связи с поверхностью и функций акцептора при фотовозбуждении для реализации фотоиндуцированного переноса электрона в молекулярной системе с фталоцианиновыми/порфириновыми комплексами d- металлов, позволит провести сравнительные исследования и выявить наилучшие условия для создания эффективных фотоанодов, обладающих стабильными фотоэлектрохимическими характеристиками.

 

Публикации

1. Бичан Н.Г., Мозгова В.А., Овченкова Е.Н., Груздев М.С., Ломова Т.Н. Спектральные исследования процесса координации 1-метил-2-(пиридин-4-ил)-3,4-фуллеро[60]пирролидина высокозамещенным порфирином кобальта(II) Журнал неорганической химии, № 7, том 68, с. 930–938 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0044457X23600081

2. Бичан Н.Г., Овченкова Е.Н., Мозгова В.А., Ксенофонтов А.А., Кудрякова Н.О., Шелаев И.В., Гостев Ф.Е., Ломова Т.Н. Donor–Acceptor Complexes of (5,10,15,20-Tetra(4-methylphenyl)porphyrinato)cobalt(II) with Fullerenes C60: Self-Assembly, Spectral, Electrochemical and Photophysical Properties Molecules, 27, 8900 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/molecules27248900

3. Е.Н. Овченкова, А.А. Елховикова,Т. Н. Ломова Реакция координации марганец(III)порфиринов с пиридином как модель для получения донорно-акцепторных диад с фуллереновыми акцепторами Журнал неорганической химии, - (год публикации - 2024)

4. Овченкова Е.Н., Бичан Н.Г., Ломова Т.Н. Синтез, химическое строение и спектральные характеристики в основном и возбужденном состояниях (порфиринато)(хлоро)индия(III) и его комплексов с С60 и пиридилзамещенным фуллеро[60]пирролидином Журнал неорганической химии, № 11, том 68, с. 1578–1587 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0044457X23600652