水溶性共轭聚合物研究与应用进展

近年来,在水溶性共轭聚合物(CPs)方面的研究备受瞩目,由于它包含了聚合物共轭主链良好的光电性质的同时还兼具了良好的水溶性,因此在光电功能信息器件中有着特殊的应用,并显著地推动了包括生物传感、电致发光器件、太阳电池和场效应晶体管等有机光电子材料及其器件的发展.本文对近几年来水溶性CPs的合成及其应用进展做出简要的总结,...     

导电聚合物

导电聚合物是20世纪70年代发展起来的一个研究领域,因其诱人的应用前景受到广泛重视,本文介绍了导电聚合物的发展和发展历史,综述了导电聚合物的结构和掺杂特征,制造方法,电导和电化学特性及其本征态共轭聚合物的光电特性,对导电聚合物当前的研究热点和应用前景进行了讨论。     

全共轭嵌段共聚物的合成组装与应用

全共轭嵌段共聚物体系将共轭聚合物的光电特性和嵌段聚合物的自组装优势相结合,是近几年发展起来的一类新型自组装光电功能材料,对其自组装机理、自组装结构与光电性能之间关系的研究,有利于共轭聚合物微观纳米结构的构筑以及未来光电器件的开发。本文主要介绍全共轭嵌段共聚物包括共轭聚电解质在内的合成发展过程,综述其在溶液中和薄膜状态下独特的自组装行为,介绍共轭聚合物在光电器件中的应用,并对其今后的研究方向做出展望。     

基于二维共轭结构的苯并二噻吩类聚合物光伏材料

为了不断提高聚合物太阳能电池的光电转化效率,研究人员设计并合成了种类众多的给/受体单元来制备共轭聚合物材料.其中,基于苯并[1.2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)单元的聚合物材料在有机太阳能电池器件中取得了十分突出的光电转化效率,显示了巨大的应用前景.相比于柔性侧基(如烷氧基或烷基)取代的BDT单元而言,基于二维共轭结构BDT的共轭聚合物通常有更好的热稳定性,更宽的吸收光谱,较低的HOMO能级以及更高的空穴迁移率,因而表现出更加优异的光伏性能,最近报道的由二维共轭BDT单元共聚物制备的聚合物太阳能电池可以获得10%以上的光电转化效率.本文首先简要介绍了二维共轭结构BDT单元的合成方法,然后总结了近年来基于二维共轭结构BDT单元的共轭聚合物及其在太阳能电池中的应用.     

共轭高分子的精准合成

共轭高分子由于带隙容易调控、柔性、可溶液加工等优异性能，在有机光电领域具有重要的应用前景.然而，聚合物普遍存在批次重现性差、结构缺陷多等问题，限制了聚合物的应用及发展.本文总结了聚合物的结构缺陷，通过回顾本课题组以及国内外同行近几年的前沿工作，详细分析了共轭高分子材料均聚结构缺陷产生的原因和机理，同时介绍了目前较为常用的表征结构缺陷的方法，以及此类缺陷对器件性能的影响.另外，还分析了当前3种合成共轭高分子材料的经典方法：Stille、Suzuki和直接芳基化聚合反应，介绍了这些方法在聚合物精准合成方面的前瞻性方法学的最新成果，并对本领域的发展进行了展望.     

从导电聚吡咯到共轭聚合物光伏材料——我在中科院化学所30年共轭高分子研究历程

本文简要回顾了本人在中科院化学所30年的研究历程,重点介绍了在共轭高分子(包括导电聚吡咯电化学、聚合物发光电化学池(LEC)和共轭聚合物给体光伏材料)方面的研究成果。在导电聚吡咯电化学方面,对导电聚吡咯的电化学制备和电化学性质进行了深入研究,阐明了各种电化学聚合条件对制备的导电聚吡咯电导和力学强度等的影响,发现电解液溶剂给电子性(Donor number)对吡咯电化学聚合制备的导电聚吡咯电导的影响:溶剂Donor number越小制备的导电聚吡咯电导越高;使用非离子表面活性剂添加剂在水溶液中制备出表面非常光滑和高力学强度的导电聚吡咯薄膜;对于吡咯电化学聚合提出了电解液阴离子参与的阳离子自由基聚合机理,并推到出吡咯电化学聚合反应的动力学方程;发现在NaNO3水溶液中电化学聚合制备的导电聚吡咯除存在主链氧化、对阴离子掺杂结构外,还存在质子酸掺杂结构;阐明了导电聚吡咯在水溶液中电化学还原和再氧化的机理及其电化学过程的可逆性和稳定性,以及导电聚吡咯在有机电解液中特殊的第一次还原和再氧化的机理。在LEC方面,通过交流阻抗法确认了LEC的电化学掺杂机理和p-i-n结构,合成了多种适用于LEC的主链带离子导电单元的兼具离子导电性的发光嵌段共聚物,避免了LEC活性层中存在的发光聚合物和离子导电聚合物的分相问题;使用离子液体作为电解质制备了室温准冷冻p-i-n结LEC,改善了LEC的电致发光性能。在共轭聚合物给体光伏材料方面,我们提出了通过共轭侧链来拓宽聚合物吸收和提高空穴迁移率的分子设计思想,设计和合成了一系列带共轭侧链的二维共轭聚噻吩衍生物以及基于二噻吩取代苯并二噻吩的窄带隙高效二维共轭聚合物给体光伏材料。我们使用烷硫基取代进一步降低了这类二维共轭聚合物的HOMO能级从而进一步提高了其光伏性能。最后介绍了本组二维共轭聚合物给体光伏材料在非富勒烯聚合物太阳能电池方面的最新研究进展。     

水/醇溶共轭聚合物界面材料及其在光电器件中的应用

相对于传统的无机半导体器件,以有机半导体(特别是聚合物半导体)材料为基础的有机光电器件,可采用与传统印刷技术(例如喷墨打印、卷对卷印刷等)相结合的溶液加工方式制备低成本、大面积、柔性光电器件,因而成为广泛关注的焦点,并得到了快速发展.实现溶液加工的高效有机光电器件的一个关键问题是界面问题——如何避免溶液加工时有机层间的互溶以及如何实现可印刷稳定金属电极的高效电子注入等.水/醇溶性共轭聚合物的迅速发展为解决溶液加工多层有机光电器件所面临的界面问题提供了有效手段.研究发现,水/醇溶共轭聚合物不但可以有效避免溶液加工多层器件中的界面互溶,而且还可与高功函数的稳定金属发生界面偶极相互作用而增强其电子注入,从而解决了高功函数稳定金属电子注入的难题,为实现全溶液加工的高效印刷有机光电器件提供了可行的方案.本文介绍了近年来本课题组在水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料及器件应用方面的研究进展,并对水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的工作机理进行了探讨.     

发蓝光材料聚烷基芴的合成和性能研究

聚芴及其衍生物是一类极具光、电活性的重要有机聚合物材料 .早在 90年代初 ,Fukuda等[1,2 ]首先报道了聚芴的合成 .在过去的几年中 ,由于这类聚合物及其衍生物卓越的光电性能 ,使其在发光二极管、激光器件、导电光刻蚀、光电池、生物传感器件等方面得到了广泛应用 ,从而推动了这一领域的飞速发展 .国外研究者在这方面进行了大量的研究工作 ,合成了一系列具有光电性能的聚芴共聚物 ,并用于研制各种光电器件[3～ 10 ] .从单体合成方法来看 ,大多都有采用文献 [1 ]所述的方法 ,但该方法要求在无水 (正丁基锂 )、无氧 (Ar气 )、低温 ( - 78℃ …     

共轭聚合物微纳晶的制备与表征及其在场效应晶体管器件中的应用

导电聚合物是20世纪70年代发展起来的一个新兴研究领域,因其在有机光电子学中诱人的应用前景备受关注.但是,目前大部分的聚合物光电器件都是基于薄膜构筑的,大量的缺陷及无规的分子排列不利于我们对材料本征性能的评估及高性能光电器件的构筑.有机单晶具有分子长程有序、低缺陷和无晶界等优点,是用来解决这些问题的最佳选择,但是高质量聚合物单晶的获得一直都是一个挑战性的问题.本文综述了目前有关共轭聚合物微纳晶的制备、表征及其在场效应晶体管器件应用中的研究进展,并对共轭聚合物微纳晶材料与器件的发展前景和面临的一些问题做了简要的讨论.     

三嗪基共价微孔有机聚合物的研究进展

共价微孔有机聚合物近年来成为化学、材料和环境等领域的发展前沿和研究热点。其中,三嗪基共价微孔有机聚合物由于高度共面的、π-共轭的1,3,5-三嗪单元的引入,相对于其它多孔吸附剂具有更高的热化学稳定性、独特的光电性质和对客体分子的高选择性分离能力。三嗪共价微孔有机聚合物已应用于气体吸附分离、废水吸附净化、药物缓释、光电响应、超电容和非均相催化等多个领域。本文重点阐述三嗪共价微孔有机聚合物的设计及合成,综述了其功能化策略,并展望了其在材料化工和环境能源等领域的应用前景。     

C—H键直接芳基化制备共轭功能材料及其器件应用

π-共轭光电聚合物及小分子,由于其成本低、质量轻、可溶液加工性以及结构与性能的丰富可调控性,已成为新一代光电功能器件重要的半导体材料. C—B/C—X及C—Sn/C—X键Suzuki及Stille偶联是有机半导体材料中sp~2-C—C键最常用的构建策略.然而,传统的C—C键偶联需要对反应底物进行预官能团化,合成步骤繁琐,且伴随有毒副产物的生成.直接芳基化反应利用C—H/C—X键偶联构建sp~2-C—C键,反应底物不涉及有机金属试剂,具有良好的原子及步骤经济性,在有机光电材料的高效合成及实际应用领域拥有巨大的潜力,因而成为人们关注的焦点.针对直接芳基化法制备有机共轭功能材料的器件应用研究进行了总结综述,分别就有机太阳能电池、场效应晶体管、染料敏化和钙钛矿电池、有机发光二极管及锂电池进行分类讨论,系统介绍了该领域的研究进展,并对今后发展进行了展望.     

功能性共轭多孔聚合物材料

有机多孔聚合物(organic porous polymers,OPPs)材料是一类由强共价键将不同几何构型的有机分子砌块链接而成的多维度的多孔网络骨架材料,近年来成为多孔材料发展的一个新方向.按其结构的有序程度划分,OPPs包括无定型(如CMPs,HCPs,PIMs,PAFs等)和晶态(如COFs,CTFs)多孔聚合物两大类.因具有质轻、较大的比表面积、优异的多孔特性、稳定性好、结构与功能可预先设计和精确调控等优点,OPPs在气体存储/分离,非均相催化,光电转换,化学/生物传感,能量存储与转换等诸多领域有着广泛的应用前景.基于"自下而上"的构筑策略,以一种或多种具有特定功能的有机共轭分子为构筑单元,通过其分子间的自聚或共聚来实现二维、三维共轭高分子网络的可控构筑,发展了一系列具有优异光电、催化性能的功能性有机骨架材料.本文总结了近年来作者所在课题组报道的以功能性共轭有机分子为反应单元,自下而上构筑共轭多孔聚合物材料的战略和方法,主要探索了其结构特征以及在光电转换和非均相催化领域等的初步应用.     

聚合物太阳能电池材料的研究进展

有机光伏技术为太阳能的有效利用提供了一条重要途径。有机太阳能电池因制造成本低廉、材料质量轻、加工性能好、易于携带等优势而备受关注。提高有机太阳能电池的光电转换效率是目前乃至未来的研究重点。设计和合成适合的窄带隙的共轭聚合物是提高有机太阳能电池光电转化效率的核心。综述了近年来基于窄带隙的共轭聚合物的太阳能电池材料的设计、制备和器件性能研究进展,探讨了目前存在的亟待解决的关键基础问题和未来发展方向。     

碳点的设计合成、结构调控及应用

碳点是一类环境友好且性能独特的纳米粒子, 在光电转换、 生物医学、 催化及储能等领域的研究日益活跃. 碳点主要分为碳量子点(CQDs)、 石墨烯量子点(GQDs)和碳化聚合物点(CPDs), 其中CPDs作为一种新型碳点, 具有合成原料广泛、 碳化程度及共轭结构可调且材料相容性好等优点. 本文综合评述了近年来碳点尤其是CPDs的合成方法; 阐述了通过选择前驱体分子、 控制反应条件及掺杂原子等手段实现对其碳化和共轭程度、 晶格和能级结构的调控, 从而建立碳点及其杂化与复合材料微纳结构与性能之间的关系; 最后, 介绍了碳点在生物标记与成像、 光(电)催化、 光电转换及储能等领域的应用, 并对碳点领域的发展前景进行了展望.     

微纳米结构导电聚合物合成方法研究进展

具有纳微米结构的导电聚合物作为一种重要的新型有机功能材料,近年来已迅速发展成为有机聚合物材料科学领域的主要研究热点之一。本文从化学法和电化学法两种主要的可控合成方法角度,详细综述了具有不同形貌及尺寸微纳米结构的导电聚合物的合成方法与合成过程的研究进展。在这两种合成方法中,又进一步分为硬模板法、软模板法和无模板自组装法三个重要方面。另外,讨论了目前文献中对这些方法得到的微纳米结构导电聚合物的形成机理。     

苯并噻二唑单元在聚合物光伏材料设计中的应用

聚合物太阳能电池因其易于加工、可制备成柔性器件、材料来源广泛等优点得到材料界和能源界的广泛关注。有机太阳能电池效率的不断提高主要得益于材料的发展和电池器件结构的优化。从材料设计角度考虑,种类众多的给体和受体单元被开发用来构建有机共轭分子,其中,苯并噻二唑单元由于共轭平面较大和吸电子性较强的特性被广泛用于构建高性能的有机太阳能电池材料。基于此,本文首先介绍了苯并二噻吩单元及其衍生物常见的合成方法,随后总结了其在构建聚合物给体方面的应用,最后对其后续发展方向和前景提出了展望。     

含磺化聚苯胺和重氮树脂自组装超薄膜的制备及其光电转换性能

具有共轭结构的高分子化合物正日益被人们所重视 ,并被应用于导电、光电、电致发光等方面的研究 [1～ 3] .聚合物较之传统的无机太阳能材料 (如硅半导体等 )具有价格低廉 ,可方便地改变结构等优点 ,其光电转换性能的研究主要集中在提高光电转化效率和可加工性能 [4 ,5]两个方面 .由于共轭高分子如聚苯胺在一般溶剂中的溶解性较差 ,人们通过合成取代聚苯胺来提高其溶解性 ,从而改善其加工性能 ,为最终提高其在功能器件中的应用提供保证 .磺化聚苯胺就是通过在苯环上引入磺酸基而使其成为一种水溶性的高聚物 .自组装技术自 1 991年由 Decher[…     

聚噻吩的光电化学研究

导电聚合物是由一些具有共轭π键的聚合物经化学或电化学掺杂后形成的导电率可从绝缘体延伸到导体范围的一类高分子材料。其中噻吩及其衍生物具有导电率高、环境稳定性好、成膜性好、禁带宽度小等特点,是用做光伏电池的理想材料。相继报道的有聚3-甲噻吩[1]、聚3-己基噻吩[2],聚(3-十一烷基-2,2’-并噻吩)[3]等。对于聚噻吩的光电化学性质的研究,在国际上很少见报道,国内尚未见报道,本文对聚噻吩(PTh)的光电化学性质进行了研究。1实验部分1.1仪器与试剂光电化学实验采用带石英窗口的三电极电解池,工作电极为ITO/PTh膜电极,参比电极为饱和…     

催化转移缩聚在可控合成共轭聚合物中的应用

共轭聚合物在光电子信息领域具有非常广阔的应用前景,受到了广泛的关注和研究.大部分共轭聚合物通常采用过渡金属络合物催化偶联的方法得到,然而这类方法对单体纯度要求高、反应时间长、条件苛刻,而且很难精确控制共轭聚合物的分子量、多分散性以及链端基团.近年来,催化转移缩聚作为一种可控合成共轭聚合物的新方法,引起了人们的浓厚兴趣.在这类反应过程中催化剂能发生分子内转移到达链端,活化聚合物链端官能团,随后与单体反应进行聚合物链的增长,因此反应遵循链增长机理,可以实现对共轭聚合物结构特性的有效控制,如分子量、多分散性和分子结构/构型等.目前,通过催化转移缩聚已经成功合成出一系列分子量可控、分散度窄的共轭均聚物、聚合物刷、毛发状核壳微粒、嵌段共聚物、交替共聚物以及大分子引发剂、大分子单体(用于制备刚-柔嵌段共聚物)等.本文结合国内外的研究现状对催化转移缩聚反应可控合成共轭聚合物及其机理作了较为全面的综述,并展望了其发展趋势.     

无机纳米晶-共轭聚合物异质结光电池研究进展

无机纳米晶_共轭聚合物固体薄膜太阳能电池是一种以半导体纳米晶作为电子受体、共轭聚合物作为电子给体的新型异质结光电池,近年来已成为国内外研究的热点。本文综述了近几年国际上关于这一领域的研究进展,重点讨论了几种最具潜力的无机半导体纳米晶(CdSe、TiO2、ZnO)共轭聚合物(P3HT、MEHPPV、MDMOPPV)复合太阳能电池,探讨了其光电转化机理并研究了纳米粒子的形貌、共混比例、制备方法和表面改性等对聚合物太阳能电池性能的影响。