聚(3,4-乙撑二氧硒吩)及其衍生物的制备及光电性能研究

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导电聚合物(conducting polymers)是经过电化学或化学掺杂而具有导电性的共轭高分子材料,其发现开创了塑料电子学,获得2000年诺贝尔化学奖。聚(3,4-乙撑二氧噻吩)及其衍生物(PEDOTs)兼具优异的导电性和稳定性等,有机电子领域应用广泛,长期是该领域的研究热点。相对于PEDOTs,其硒吩类似物,聚(3,4-乙撑二氧硒吩)(PEDOS),在电致变色性能方面展现出独特优势。这主要是得益于硒原子具有比硫原子更好的极化性和高的载流子迁移率,从而聚硒吩比聚噻吩结构具有更低的带隙和氧化还原电位。PEDOS的扩环衍生结构聚(3,4-丙撑二氧硒吩)(PProDOS)的研究更进一步改善了PEDOS的溶解度和分子刚性,获得了更好的柔性和高着色效率等优势。但是,相对于PEDOTs,受限于合成的难度,对PEDOS及其衍生物的研究近些年来才逐渐得到重视,其制备和电致变色性能的开发尚有广阔的空间。本论文致力于高效合成EDOS及其衍生物,通过电化学和化学氧化聚合策略,在不同的电解质体系中获得PEDOS及其衍生物薄膜材料,系统研究其物化性质和光电性能,重点探讨其在电致变色等有机电子领域的应用,为后续研究建立方法-结构-性能关联规律基础。具体的研究内容如下:1、3,4-乙撑二氧硒吩(EDOS)在水乳液体系中的电化学聚合及聚合物膜的电致变色性能。设计并优化路线合成了EDOS单体,在以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为表面活性剂、LiClO4作为电解质、去离子水作为溶剂的电解液体系中研究了其电化学行为并获得了聚合物PEDOS薄膜。系统研究了PEDOS膜在不同电解液(纯BmimPF6,水乳液以及乙腈体系)中的电化学行为及电致变色性能。研究结果表明EDOS可以在水乳液中低电位(0.64 V,已报道乙腈体系中聚合电位为0.95 V)下电聚合,得到的PEDOS膜在循环5000次后保留75.3%的电活性。动力学研究表明PEDOS在BmimPF6中的着色效率(20 cm2/C)和对比度(25%)高于在乙腈体系中的性能(19 cm2/C,22%)。2、3,4-丙撑二氧硒吩(ProDOS)及其烷基衍生物在离子液体系中的电化学聚合及聚合物膜的电致变色性能。为了克服EDOS的溶解性差等缺陷,设计并合成了其扩环结构ProDOS及其烷基侧链修饰的衍生物(ProDOS-C1,ProDOS-C4),以离子液BmimPF6为电解液体系,通过电化学聚合方法制备了PProDOS及其衍生物聚合物薄膜,并系统对比研究了其电化学及电致变色性能。研究结果表明:烷基修饰改善了单体及聚合物的溶解性和电化学性质,随着烷基链的增加,单体的起始氧化电位呈下降趋势,聚合物膜在纯BmimPF6中的电化学活性呈递增趋势。其中,PProDOS-C4在循环5000次后仍保留87%的电活性且具有高的着色效率(573 cm2/C),而PProDOS-C1具有优异的光学对比度(62%),优于其聚噻吩类似物聚(3,4-丙撑二氧噻吩)(PProDOT)。3、聚(3,4-乙撑二氧硒吩)/聚苯乙烯磺酸(PEDOS/PSS)水性分散体及自支撑薄膜的制备及电学性质研究。水乳液中化学氧化聚合可克服EDOS及其衍生物单体溶解性,并一次获得PEDOS大量样品和柔性导电薄膜。本文设计并高效合成了EDOS及其他5种类似物结构(EDOT,EOTT,EDTT,EOTS和EDTS),并在PSS水乳液中经化学氧化聚合的方法制备了6种PEDOTs/PSS水性分散液,通过滴涂的方式在聚丙烯(PP)基板得到可裁剪的柔性自支撑薄膜,系统对比研究了结构衍变对聚合物物化性质及导电性能的影响。研究结果表明:当乙撑环相同,Se原子取代S原子时,分散体的颜色逐渐变暗。自支撑薄膜可以随意弯曲剪切且不影响其电导率。S和Se元素取代的PEDOTs/PSS自支撑薄膜的导电率明显降低,DMSO二次掺杂的导电增强效应适用于PEDOTs/PSS薄膜。
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