Tetrachelate Porphyrin Chromophores for Metal Oxide Semiconductor Sensitization: Effect of the Spacer Length and Anchoring Group Position

卟啉 化学 金属 光化学 发色团 猝灭(荧光) 氧化物 锚固 利乐 荧光 药物化学 有机化学 物理 结构工程 工程类 量子力学
作者
Jonathan Rochford,Dorothy Chu,A. Hagfeldt,Elena Galoppini
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:129 (15): 4655-4665 被引量:364
标识
DOI:10.1021/ja068218u
摘要

Four Zn(II)-tetra(carboxyphenyl)porphyrins in solution and bound to metal oxide (TiO2, ZnO, and ZrO2) nanoparticle films were studied to determine the effect of the spacer length and anchoring group position (para or meta) on their binding geometry and photoelectrochemical and photophysical properties. The properties of three types of anchoring groups (COOH and COONHEt3) for four Zn(II)-porphyrins (Zn(II)-5,10,15,20-tetra(4-carboxyphenyl)porphyrin (p-ZnTCPP), Zn(II)-5,10,15,20-tetra(3-carboxyphenyl)porphyrin (m-ZnTCPP), Zn(II)-5,10,15,20-tetra(3-(4-carboxyphenyl)phenyl)porphyrin (m-ZnTCP2P), and Zn(II)-5,10,15,20-tetra(3-ethynyl(4-carboxyphenyl)phenyl)porphyrin (m-ZnTC(PEP)P)) were compared. In m-ZnTCPP, m-ZnTCP2P, and m-ZnTC(PEP)P the four anchoring groups are in the meta position on the meso-phenyl rings of the porphyrin macrocycle, thus favoring a planar binding mode to the metal oxide surfaces. The three meta-substituted porphyrin salts have rigid spacer units of increasing length (phenyl (P), biphenyl (P2), and diphenylethynyl (PEP)) between the porphyrin ring and the carboxy anchoring groups, thus raising the macrocycle from the metal oxide surface. All porphyrins studied here, when bound to TiO2 and ZnO, exhibited quenching of the fluorescence emission, consistent with electron injection into the conduction band of the semiconductor. Steady-state UV-vis and fluorescence studies of p-ZnTCPP on insulating ZrO2 showed evidence of aggregation and exciton coupling. This was not observed in any of the meta-substituted porphyrins. The photoelectrochemical properties (IPCE, Voc, and Isc) of the porphyrins bound to TiO2 films in solar cells have been measured and rationalized with respect to the sensitizer binding geometry and distance from the surface.
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