Artykuł metodologiczny

Widma drgań granicy faz N719-chromofor/tytan z symulacji empirycznego potencjału dynamiki molekularnej, solwatowane przez ciecz jonową o temperaturze pokojowej

5.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60539

⸱

25 stycznia 2020

 ,  , 
1School of Chemical and Bioprocess Engineering, University College Dublin, Belfield

W tym artykule

Podsumowanie

Barwnikowe ogniwo słoneczne zostało solwatowane przez RTILs; korzystając z zoptymalizowanych potencjałów empirycznych, zastosowano symulację dynamiki molekularnej do obliczenia właściwości drgań. Uzyskane widma oscylacyjne porównano z dynamiką molekularną eksperymentu i ab initio; Różne widma potencjału empirycznego pokazują, jak parametryzacja ładunku częściowego ładunku cieczy jonowej wpływa na przewidywanie widm wibracyjnych.

Streszczenie

Dokładne przewidywanie widm drgań i innych strukturalnych, energetycznych i spektralnych cech fotoaktywnych powierzchni tlenków metali w kontakcie z barwnikami absorbującymi światło jest ciągłym i nieuchwytnym wyzwaniem w chemii fizycznej. Mając to na uwadze, przeprowadzono symulację dynamiki molekularnej (MD), wykorzystując zoptymalizowane potencjały empiryczne dla dobrze reprezentatywnego i prototypowego barwnikowego ogniwa słonecznego (DSC) solwatowanego przez szeroko badaną ciecz jonową o temperaturze pokojowej (RTIL), pod postacią [bmim]+[NTf2]- RTIL solwatującego barwnik uwrażliwiający na N719 zaadsorbowany na 101 anatazie-tytanie. W ten sposób uzyskano ważne informacje na temat tego, w jaki sposób użycie RTIL jako akceptora otworu elektrolitycznego moduluje właściwości dynamiczne i wibracyjne barwnika N719, szacując widma dla interfejsu fotoaktywnego DSC za pomocą transformacji Fouriera funkcji autokorelacji prędkości ważonej masą z MD. Uzyskane widma drgań porównano z widmami eksperymentalnymi oraz widmami pobranymi z ab initio molecular dynamics (AIMD); w szczególności różne widma potencjału empirycznego generowane przez MD zapewniają wgląd w to, jak parametryzacja ładunku częściowego ładunku cieczy jonowej wpływa na przewidywanie widm oscylacyjnych. W każdym razie, staranne dopasowanie empirycznych modeli pola siłowego okazało się skutecznym narzędziem w radzeniu sobie z właściwościami drgań DSC, gdy zostało to zweryfikowane przez AIMD i eksperyment.

Wprowadzenie

W barwnikowych ogniwach słonecznych (DSC), optyczna przerwa energetyczna półprzewodników jest mostkowana przez barwnik pochłaniający światło, czyli uczulający. Przekaźniki DSC wymagają ciągłego ładowania: dlatego elektrolit redoks jest niezbędny do wspierania tego stałego dostarczania ładunku (zwykle w postaci I-/I3- w rozpuszczalniku organicznym). Ułatwia to przechodzenie od barwnika uczulającego do elektrolitu, z wstrzykniętymi fotowzbudzonymi elektronami do podłoża tlenku metalu przechodzącymi do obwodu zewnętrznego, z ostateczną rekombinacją zachodzącą na katodzie1. Kluczowym aspektem leżącym u podstaw pozytywnych perspektyw dla certyfikatów DSC dla szerokiej gamy zastosowań w świecie rzeczywistym jest ich prosta produkcja, bez konieczności stosowania surowców o wysokiej czystości; Stoi to w jaskrawym kontraście z wysokimi kosztami kapitałowymi i ultraczystością wymaganą dla fotowoltaiki na bazie krzemu. W każdym razie perspektywa znacznego skrócenia okresu użytkowania DSC poprzez zastąpienie mniej stabilnych elektrolitów cieczami jonowymi o temperaturze pokojowej (RTIL) o niskiej lotności jest bardzo obiecująca. Właściwości fizyczne RTIL podobne do ciał stałych w połączeniu z ich właściwościami elektrycznymi podobnymi do cieczy (takimi jak niska toksyczność, palność i lotność)1 sprawiają, że są one raczej doskonałymi kandydatami na elektrolity do zastosowania w aplikacjach DSC.

Biorąc pod uwagę takie perspektywy dla RTIL w DSC, trudno się dziwić, że w ostatnich latach nastąpił znaczny wzrost aktywności w badaniu interfejsów N719-chromofor/tytan prototypu DSC z RTIL. W szczególności wykonano ważne prace nad takimi systemami2,3,4,5, które uwzględniają szeroki zestaw procesów fizykochemicznych, w tym kinetykę uzupełniania ładunku w barwnikach2,5, mechanistyczne etapy dynamiki elektron-i transferu3oraz, oczywiście, wpływ nanoskalowego charakteru substratów tytanu na te i inne procesy4.

Teraz, mając na uwadze imponujące postępy w symulacji molekularnej opartej na DFT, szczególnie AIMD6, jako wysoce użyteczne narzędzie do projektowania prototypów w materiałoznawstwie, a szczególnie dla DSCs7,8,9,10,11, przy czym krytyczna ocena optymalnego wyboru funkcjonalnego jest niezbędna8,9, techniki AIMD okazały się wcześniej bardzo przydatne w badaniu dość znaczącej dyspersji i efektów solwatacji jawnego RTIL na strukturę barwnika, tryby adsorpcji i właściwości wibracyjne na powierzchniach półprzewodników DSC. W szczególności przyjęcie AIMD doprowadziło do pewnych sukcesów w osiąganiu rozsądnych, półilościowych wychwytywania i przewidywania ważnych właściwości elektronowych, takich jak przerwa energetyczna, a także wiązanie strukturalne13 i widma wibracyjne14 W refs. 12-14, symulacje AIMD przeprowadzono szeroko na fotoaktywnym barwniku chromoforowym N719 związanym z powierzchnią (101) anatazu-tytanu, oceniając zarówno właściwości elektroniczne, jak i właściwości strukturalne w obecności zarówno [bmim]+[NTf2]- 12,13 i [bmim]+[I]- 14 RTILs, oprócz widm wibracyjnych dla przypadku [bmim]+[I]- 14. W szczególności, sztywność powierzchni półprzewodnika15, oprócz nieodłącznej porównawczej fotoaktywności, doprowadziła do nieznacznych zmian powierzchni w symulacji AIMD, co sprawia, że (101) interfejsy anatasowe12,13,14 Odpowiedni wybór. Jak pokazuje odnośnik 12, średnia odległość między kationami a powierzchnią zmniejszyła się o około 0,5 A, średnia separacja między kationami i anionami zmniejszyła się o 0,6 A, a zauważalna zmiana RTIL w pierwszej warstwie wokół barwnika, gdzie kation znajdował się średnio 1,5 A dalej od środka barwnika, były bezpośrednio spowodowane wyraźnymi oddziaływaniami dyspersyjnymi w układach solwatowanych przez RTIL. Niefizyczne załamanie konfiguracji zaadsorbowanego barwnika N719 było również wynikiem wprowadzenia wyraźnych efektów dyspersji w próżni. W odnośniku 13 przeprowadzono analizę, czy te strukturalne efekty jawnej solwatacji RTIL i selekcji funkcjonalnej wpłynęły na zachowanie DSSC, stwierdzając, że zarówno jawna solwatacja, jak i leczenie dyspersji są bardzo ważne. W odnośniku 14, mając pod ręką wysokiej jakości eksperymentalne dane oscylacyjno-spektralne innych grup, poszczególne efekty były systematycznie porównywane zarówno pod kątem jawnej solwatacji [bmim]+[I]-, jak i dokładnej obsługi dyspersji ustalonej w odnośnikach. 12 i 13 na temat reprodukcji istotnych cech modów spektralnych; Doprowadziło to do wniosku, że jawna solwatacja jest ważna, wraz z dokładnym traktowaniem oddziaływań dyspersyjnych, co jest echem wcześniejszych ustaleń dotyczących zarówno właściwości strukturalnych, jak i dynamicznych w przypadku modelowania katalizatorów AIMD w jawnym rozpuszczalniku16. Rzeczywiście, Mosconi i wsp. przeprowadzili również imponującą ocenę efektów jawnej solwatacji na leczenie DFT symulacji DSC17. Bahers et al.18 badali eksperymentalne widma absorpcyjne dla barwników wraz z powiązanymi widmami na poziomie TD-DFT; te widma TD-DFT zgadzały się bardzo dobrze pod względem ich obliczonych przejść z ich eksperymentalnymi odpowiednikami. Ponadto, widma absorpcyjne pochodnych pirolidyny (PYR) zostały zbadane przez Preata i in. w kilku rozpuszczalnikach19, dostarczając istotnych informacji na temat geometrycznych i elektronicznych struktur barwników oraz wykazując odpowiednie modyfikacje strukturalne, które służą optymalizacji właściwości DSSC opartych na PYR - w rzeczywistości jest to duch sterowanego symulacją/racjonalizowanego "projektowania molekularnego".

Jasno ustaliłszy ważny wkład zarówno DFT, jak i AIMD w dokładne modelowanie właściwości i funkcji DSC, w tym tak ważne kwestie techniczne, jak wyraźna solwatacja i odpowiednie traktowanie oddziaływań dyspersyjnych z punktu widzenia strukturalnego, elektronicznego i wibracyjnego7,8,9,10,11,12,13,14, teraz - w niniejszej pracy - nacisk skupia się na pragmatycznym pytaniu, jak dobrze podejścia empiryczno-potencjalne mogą być dostosowane do odpowiedniego i rozsądnego przewidywania właściwości strukturalnych i wibracyjnych takich prototypowych systemów DSC, biorąc barwnik N719 zaadsorbowany na anatazie (101) w [bmim]+[NTf2]- RTIL jako przykład. Jest to ważne, nie tylko ze względu na duży korpus działań symulacyjnych opartych na polu siłowym i maszynerię metodologiczną dostępną do radzenia sobie z symulacją DSC7 i szerzej powierzchniami tlenków metali, ale także ze względu na ich zdumiewająco obniżony koszt obliczeniowy w porównaniu z podejściami opartymi na DFT, wraz z możliwością bardzo efektywnego sprzężenia z podejściami do próbkowania tendencyjnego w celu bardziej efektywnego uchwycenia przestrzeni fazowej i ewolucji strukturalnej w wysoce lepkie rozpuszczalniki RTIL, w których dominują właściwości fizyczne podobne do ciał stałych w temperaturach otoczenia. Dlatego, zmotywowani tym otwartym pytaniem o pomiar i optymalizację podejść do pola siłowego, opartym zarówno na DFT, jak i AIMD, a także na danych eksperymentalnych dla widm wibracyjnych14, zwracamy się do pilnego zadania oceny wydajności potencjału empirycznego przy przewidywaniu widm wibracyjnych z MD, przy użyciu ważonych masowo transformaty Fouriera funkcji autokorelacji prędkości atomowej barwnika N719 (VACF). Jednym z kluczowych problemów jest to, jak różne parametryzacje ładunku częściowego RTIL mogą wpływać na przewidywanie widm wibracyjnych, i szczególną uwagę zwrócono na ten punkt, jak również na szersze zadanie dostosowania pól siłowych do optymalnego przewidywania trybu widmowego w odniesieniu do eksperymentu i AIMD20.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przeprowadzanie symulacji MD za pomocą DL_POLY

  1. Skonstruuj początkową strukturę systemu DSC barwnika N719 zaadsorbowanego na powierzchni anatazu-tytanu (101) solwatowanego przez [bmim]+[NTf2]- zaczerpniętego z poprzedniej pracy12,13. Narysuj wymaganą strukturę za pomocą oprogramowania VESTA.
  2. Wybierz N719 cis-di(tiocyjanat)-bis (2,2'-bipyrydylo-4-karboksylano-4'-kwas karboksylowy)-ruten(II)-barwnik uczulający bez przeciwjonów i upewnij się obecność dwóch protonów związanych z powierzchnią, aby zapewnić neutralność ładunku w całym układzie.
    UWAGA: Rzeczywiście, dogłębne badania przeprowadzone przez De Angelisa i wsp. ustaliły, że stanowi to realistyczną reprezentację N719 zaadsorbowaną przez anatase-titania21. Dzieje się tak dlatego, że w odnośniku 21 był najbardziej przekonujący poziom zgodności z wynikami eksperymentalnymi dla wielu właściwości; w systemach eksperymentalnych uważa się, że de facto protonacja powierzchniowa wyłania się z kationów i anionów ILs, co prowadzi do pewnego stopnia transferu ładunku z powierzchnią21.
  3. Upewnij się, że barwnik jest adsorbowany chemicznie na powierzchni TiO2 przez dwie grupy karboksylowe (tj. dwuzębne). Ta początkowa konfiguracja zaadsorbowanego barwnika jest podobna do tej oznaczonej jako I1 i znalezionej przez Schiffmana i wsp.22, która została określona jako najbardziej stabilna z uwzględnieniem protonowania powierzchniowego. Zapoznaj się z referencjami. 12 i 13 dla szczegółowego opisu, jak to się robi, w tym współrzędnych adsorpcji chemicznej.
  4. Upewnij się, że barwnik uczulający N719 (cis-di(tiocyjanat)-bis(2,20-bipirydylo-4-karboksylano-kwas 40-karboksylowy)-ruten(II)) nie ma przeciwjonów. Dodaj dwa protony związane z powierzchnią, aby uzyskać neutralność ładunku, jak w odnośnikach 12 i 13.
  5. Wybierz 12 par kationowo-anionowych bis(trifluorometylosulfonylo)imidoliowego 1-butylo-3 metyloimidazolu, składających się z 480 atomów12,13. Zostały one zaczerpnięte z referencji. 12 i 13.
  6. Rozluźnij konfigurację RTIL za pomocą potencjałów empirycznych, używając dobrze zweryfikowanego pola siłowego Lopesa i wsp.23. Modeluj anataz za pomocą pola siłowego Matsui-Akaogi (MA) i uwzględnij mobilność tytanu w procesie relaksacji. Korzystając ze szczegółów DL-POLY w kroku 2.1 poniżej, wykonaj optymalizację geometrii w DL-POLY, a nie MD, z gradientem względnego zakończenia sprzężonego gradientu wynoszącym 0,001. W tym miejscu określ optymalizację w pliku FIELD, a nie dynamikę.
  7. Dla powierzchni anatazu, (TiO2)96, składającej się z 288 atomów, upewnij się, że jest ona okresowa wzdłuż osi laboratorium x i y, rzutując na RTIL parę równoległych (101) powierzchni; wymiary na osi x 23 A i oś y na 21 A. Zostało to zaczerpnięte z referencji. 12 i 13.
  8. Upewnij się, że cały system DSC z wyraźnym rozpuszczalnikiem składa się z 827 atomów12,13; W przypadku "in-vacuo", pozbawionym solwatacji RTIL, w układzie powinno być 347 atomów.

2. Przeprowadzanie symulacji MD opartej na polu siłowym za pomocą DL_POLY

  1. Wykonaj MD za pomocą DL-POLY z różnymi zestawami częściowego ładunku (vide infra) przez 15 ps z krokiem czasowym 1 fs i przy 300 K w zespole NVT24,25, używając parametrów pola siłowego Lopes et al.23 parametrów pola siłowego dla RTIL i ogólnego przeznaczenia modelu OPLS dla klasy dye26, z dobrze zbadanym i niezawodnym potencjałem Matsui-Akaogi działającym na titania27 pole siłowe. Aby uruchomić DL-POLY na terminalu, wpisz DLPOLY. X i gdzie znajdują się pliki wejściowe.
  2. Wykonaj klasyczne MD za pomocą tych wyżej określonych empirycznych pól siłowych, jak zaimplementowano w DL_POLY28. W tym przypadku nie ma potrzeby korzystania z graficznego interfejsu użytkownika (GUI) w oprogramowaniu, dlatego zaleca się wprowadzanie szczegółów za pomocą obszernej i łatwej do zrozumienia instrukcji oprogramowania29. Tutaj, w pliku CONTROL (sprawdź Informacje dodatkowe dla plików wejściowych), określ "Nose-Hoover" dla NVT i zdecyduj się na drukowanie trajektorii pozycji-prędkości co 1 fs.
  3. W pliku FIELD dla parametrów Lennarda-Jonesa zastosuj reguły łączenia Lorentza-Berthelota25. Biorąc średnią arytmetyczną promieni Lennarda-Jonesa (LJ) i średnią geometryczną głębokości studni LJ, dla empirycznych pól siłowych, jak opisano w odnośniku 25, i wprowadź ją w dolnej sekcji pliku FIELD w zakładce oddziaływania niezwiązane.
  4. Aby poradzić sobie z elektrostatyką dalekiego zasięgu, zastosuj metodę Ewalda25; użyj niezwiązanej długości odcięciar cut = 10 A. Zapoznaj się z referencjami. 25 i 30 dla precyzyjnych szczegółów dotyczących optymalizacji parametrów elektrostatycznych. Ustaw parametr zaniku w przestrzeni rzeczywistej dla metody Ewalda w pliku CONTROL na ~3,14/rcut i wybierz liczbę wektorów falowych Ewalda, aby zapewnić względną tolerancję w ocenie Ewalda 1E-5; Określ to w pliku CONTROL.
  5. Upewnij się, że w pliku CONTROL określ, że rcut = 10 A; przeprowadź serię ocen energii potencjalnej za pomocą pliku REVCON (przemianowanego na CONFIG), aż ciśnienie systemowe w OUTPUT zbiegnie się z dokładnością do kilku procent, aby wybraćcięcie r, ale unikajjakiegokolwiek cięcia r poniżej ~2,5 razy największej odległości LJ25,30.
    UWAGA: Ta krótka skala czasowa propagacji MD 15 ps została wybrana tak, aby była podobna do symulacji ~8,5 ps Born-Oppenheimer-MD (BOMD) z identyczną początkową konfiguracją referencji. 9, 10 i 17, aby umożliwić bezpośrednie porównanie prognoz widm wibracyjnych zapewnianych zarówno przez AI-20, jak i MD oparte na polu siłowym (z porównaniem i walidacją w stosunku do eksperymentu).
  6. Z pliku HISTORY (do którego zarówno prędkości, jak i pozycje zostały wydrukowane w każdym kroku czasowym, zgodnie z instrukcjami z pliku CONTROL), wyodrębnij prędkości x, y, z, używając dye_atom_velocity_seperate.py Pythona (patrz Informacje Uzupełniające) w terminalu. Oddzieli prędkości na każdym kroku.
  7. Oblicz VACF przy użyciu vacf151005.py (patrz Informacje uzupełniające). W terminalu wpisz ./classical_dye_autocorr.sh; obliczy VACF wszystkich atomów barwnika. Oblicz widma z MD (niezależnie od tego, czy AIMD14,20 lub oparte na polu siłowym) przy użyciu ważonych masą transformacji Fouriera funkcji autokorelacji prędkości atomowej barwnika (VACF)31,32,33 przy użyciu MWPS.py Pythona (patrz Informacje uzupełniające). W terminalu wpisz ./run_all_4.sh; Będzie on obliczał widma mocy ważone masą.
  8. Wykonaj transformację Fouriera na tych VACF przy użyciu powszechnie dostępnego oprogramowania.
  9. Należy pamiętać, że najlepsza jakość leczenia DFT w AIMD (np. użycie jawnej solwatacji i dokładnego leczenia dyspersji, wraz z sprytnym wyborem funkcjonału) jest ważna do wykorzystania do porównania z danymi eksperymentalnymi12,13,20 oraz mierzenie/dostosowywanie porównawczej wydajności empirycznego potencjału MD, w szczególności duży wpływ elektrostatyki i wybór ładunków cząstkowych16. Zobacz referencje. 12 i 13 i przestudiuj je, aby uzyskać dogłębną ocenę, a jeśli zamierzasz przeprowadzić AIMD (co nie ma miejsca w niniejszym badaniu), postępuj zgodnie z tym w takiej sytuacji w przyszłości, jeśli zajdzie potrzeba przeprowadzenia AIMD.

3. Porównywanie wyników każdego z pól siłowych

UWAGA: Ważne jest, aby ocenić zestawy ładunków częściowych dla RTIL dla empirycznej symulacji MD opartej na potencjale empirycznym w kroku 2, w celu gotowego porównania ze sobą, eksperymentu i wyników ab initio-MD w wyraźnym rozpuszczalniku RTIL (przy użyciu funkcjonału PBE z dyspersją Grimme-D3, biorąc pod uwagę jego doskonałą wydajność do przewidywania widm drgań)20; były one następujące:

  1. Należy zauważyć, że w przypadku ładunków RTIL wywodzących się z literatury, ładunki anionowe można znaleźć w Rozszerzonej Teorii Hückela34,35, w oparciu o trajektorie AIMD23, ze względu na brak parametryzacji ładunku anionowego w ref. 20, z ładunkami kationowymi pobranymi z Lopes et al.23 Przygotuj tabelę ładunków literatury, i umieścić w formacie pliku FIELD dla DL-POLY.
  2. Należy pamiętać, że opłaty Mulliken RTIL należy obliczać za pomocą analizy populacji Mulliken. Przeprowadź analizę Mullikena, uśredniając ponad cztery punkty trajektorii ab initio MD class20, znormalizuj i przygotuj tabelę opłat za literaturę, a następnie umieść w formacie pliku FIELD dla DL-POLY.
  3. Należy zauważyć, że ładunki Rozszerzonej Teorii Hückla (EHT) mają być dopasowane na podstawie końcowej konfiguracji trajektorii AIMD20, przy użyciu EHT, zastosowanej zarówno do anionów, jak i kationów RTIL. Przeprowadź analizę EHT, uśredniając z czterech punktów trajektorii ab initio MD20, zgodnie z implementacją w pakiecie oprogramowania MOE (wybierając menu 'Analiza ładunku' po wczytaniu pliku konfiguracyjnego)35, znormalizuj i przygotuj tabelę ładunków literatury, a następnie umieść w formacie pliku FIELD dla DL-POLY.
  4. Należy pamiętać, że ładunki Hirshfelda RTIL należy obliczać na podstawie analizy ładunku Hirshfelda poprzez uśrednienie z czterech punktów trajektorii MD ab initio 20, dla anionów i kationów20, zgodnie z implementacją w pakiecie oprogramowania MOE (wybierając menu 'Analiza ładunku' po wczytaniu pliku konfiguracyjnego)35. Z renormalizacji tych otrzymanych ładunków należy je stabelaryzować w odpowiednim formacie w pliku DL-POLY FIELD.
  5. Należy pamiętać, że różne zestawy ładunków dla atomów [bmim]+[NTf2]- są przedstawione w Tabeli 1 i Tabeli 2, które pokazują również średnią wartość, o jaką niektóre ładunki atomowe musiały zostać zmodyfikowane, aby uwzględnić symetrię i ogólne zachowanie ładunku.
  6. Zauważ, że końcowe zestawy ładunków mają mieć sumę ładunków sumujących się do +1 na kationie i -1 na anionie. Kation i anion są pokazane odpowiednio na Rysunek 1a i Rysunek 1b. Widma próbkowane przez DFT, z których zostały zainspirowane te zestawy ładunków, w zasadzie mają niejawny transfer ładunku i mają tendencję do prowadzenia do ładunków bliższych ±1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Właściwości strukturalne motywów wiązania
Reprezentatywne motywy wiązania dla czterech różnych zestawów ładunków cząstkowych przedstawiono na Ryc. 2 po 15 ps symulacji MD. Na Ryc. 2a, w przypadku (opisanych powyżej) ładunków pochodzących z literatury, widoczna jest wyraźna oddziaływanie poprzez wiązanie wodorowe z protonem powierzchniowym. Z dokładnych analiz trajektorii wynika, że wiązania w...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Techniki symulacji ab initio są kosztowne w wykonaniu, a zatem przeprowadzenie symulacji w znacznie dłuższych skalach czasowych wymagałoby użycia empirycznych pól siłowych przynajmniej dla części systemu DSC. W tym celu stworzono równoważny atomistyczny model solwatowanego interfejsu [bmim]+[NTf2], wykorzystując empiryczne, klasyczno-symulacyjne pole siłowe dla MD. Anataz modelowano przy użyciu pola siłowego Matsui-Akaogi (MA), natomiast strukturę barwnika badano za pomocą parametrów OPLS. W przypad...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują prof. Davidowi Cokerowi za użyteczne dyskusje oraz Science Foundation Ireland (SFI) za udostępnienie zasobów obliczeniowych o wysokiej wydajności. Badania zostały zrealizowane przy wsparciu finansowym w ramach programu finansowania dwustronnego SFI-NSFC (grant nr SFI/17/NSFC/5229), a także Programu Badań w Instytucjach Trzeciego Poziomu (PRTLI) Cykl 5, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Była to symulacja molekularna, więc nie użyto żadnego sprzętu eksperymentalnego.
Oprogramowanie nazywało się DL-POLY (którego 'klasyczna' wersja jest dostępna na licencji GnuPublic License, za pośrednictwem sourceforge)

Bibliografia

  1. Ohno, H. Electrochemical aspects of ionic liquids. , John Wiley & Sons. (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. , 2nd Ed, Oxford University Press. (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. Smith, W., Forester, T. R., Todorov, I. T. DL-POLY Classic user manual. , http://www.cse.scitech.ac.uk/ccg/software/DL_POLY_CLASSIC/MANUALS/USRMAN.pdf (2019).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Hoffmann, R. An Extended Hückel Theory. I. Hydrocarbons. Journal of Chemical Physics. 39, 1397-1412 (1963).
  35. Chemical Computing Group. Molecular Operating Environment software. , Montréal, Québec, Canada. (2019).
  36. 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).
  37. León, C. Vibrational Spectroscopy of Photosensitizer Dyes for Organic Solar Cells. , Cuvillier. (2006).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Potencja y empiryczneogniwo s oneczne z barwnikiemanataza tytanuautokorelacja pr dko citransformata Fourieraparametryzacja adunk w cz stkowych

Powiązane artykuły