分子工程策略优化引达省并二噻吩基共轭聚合物热电性能的研究

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热电材料是一种利用固体内部载流子(电子和空穴)运动来实现热能与电能之间相互转化的新型功能材料。近些年来,虽然有机热电材料的发展已经取得了很大的进步,但是仍然面临着候选材料体系结构与性能关系不明确、机理不清晰和性能较低等问题。针对以上这些问题,本文选取引达省并二噻吩(IDT)基团作为母体,设计并合成了一系列共轭聚合物,深入探讨IDT基共轭聚合物分子结构与性能之间的关系以及聚合物掺杂优化机理,发现具有给-受体(D-A)骨架结构和小体积侧链的IDT基共轭聚合物经过化学掺杂后表现出较高的热电性能。然后通过向IDT基共轭聚合物中引入极性侧链后再与单壁碳纳米管(SWCNT)复合,发现含极性侧链的聚合物/SWCNT复合材料与含烷基侧链的聚合物/SWCNT复合材料相比,具有更高的热电性能。具体的研究内容如下:1)以IDT基团作为基本结构单元,设计合成了三个不同共轭骨架结构的聚合物P1(含有一个噻吩单元)、P2(含两个噻吩单元)和P3(含苯并噻二唑单元),从而探究骨架结构对聚合物热电性能的影响,为筛选出性能优异的潜在热电材料提供了理论基础。研究发现,具有D-A骨架结构的聚合物P3的载流子迁移率超出聚合物P1和P2两个数量级。在相同的化学掺杂条件下,P3薄膜也表现出了最佳的热电性能,室温下的功率因子高达5.50μW m-1 K-2,当温度升高到402 K时,P3薄膜的功率因子最高可以达到12.89μW m-1 K-2,远超P1和P2薄膜的功率因子(分别为2.39μW m-1 K-2和10.07μW m-1 K-2),这主要是因为聚合物P3中交替的D-A骨架结构更利于载流子的传输,有效地提高了IDT基共轭聚合物的热电性能。2)在第一部分的研究基础之上,我们选取热电性能优异的具有D-A骨架结构的聚合物P3做进一步研究,通过向IDT基共轭聚合物中引入大体积的苯环侧链结构,探究侧链体积对共轭聚合物热电性能的影响。经过系统的表征测试后,我们发现大体积共轭侧链的引入对聚合物能级带隙和物理化学性质等影响很小,但是一定程度上破坏了聚合物的分子堆积。使得含大体积侧链的P4薄膜在相同的掺杂条件下的功率因子(4.58μW m-1 K-2)与P3薄膜的功率因子(5.50μW m-1 K-2)相比略低一些。这表明IDT基共轭聚合物中大体积共轭侧链的引入,会影响聚合物的分子堆积,从而制约了其电导率和Seebeck系数,最终影响聚合物的热电性能。3)在第一部分和第二部分的研究基础上,选取含D-A结构的共轭骨架为研究基础,合成了含有极性侧链的IDT基共轭聚合物P5和含烷基侧链的IDT基共轭聚合物P6,然后通过与单壁碳纳米管(SWCNT)复合制备出聚合物复合热电材料。研究发现极性侧链的引入有效地提高了聚合物的热稳定性,并且聚合物P5与SWCNT复合后表现出比P6/SWCNT复合薄膜更强的界面相互作用,从而利于载流子在复合材料中界面的传输,进而提高了其电导率和Seebeck系数。P5/SWCNT复合薄膜在聚合物与SWCNT的质量比例为1:1时获得最高的功率因子(161.34μW m-1 K-2),高于同等复合比例下P6/SWCNT复合薄膜的功率因子(139.06μW m-1 K-2)。该研究结果表明向共轭聚合物结构中引入极性侧链的策略,可以有效提高其复合材料的热电性能。
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