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裴坚-王婕妤课题组在聚合物热电材料取得新进展



聚合物热电材料因其低毒性、质轻、柔性和可大面积加工等优势在可穿戴自供电器件方面具备很好的应用前景。一个高性能的热电器件同时需要p型与n型两种材料。聚合物在掺杂之后的电导率聚合物材料的热电性能起到了关键决定作用。目前P型聚合物的电导率已经超过1000 S cm-1,相比之下,仅有几例n型聚合物的电导率超过1 S cm-1

1. N型聚合物热电材料面临的三个重要挑战。

 

针对目前研究现状,裴坚教授团队总结了提升n型聚合物热电材料电导率所面临的三个重要挑战,并提出相应的解决策略

1      载流子的产生

载流子浓度的高低直接影响电导率,较低的n掺杂效率是限制载流子浓度提升的重要原因。LUMO能级调控、增强聚合物和掺杂剂的相容性设计高效的n掺杂剂是提升n掺杂效率的重要手段。

2      载流子的传输

载流子通过分子掺杂的方式被引入后,其传输过程(迁移率)与最终的电导率紧密相关。导电聚合物的电荷传输可以简单分为聚合物链内传输和聚合物链间传输。共轭骨架平面化是提升链内传输的有效方法。与此同时,聚合物在溶液中的自组装过程直接影响了其在固相下的微观排列,进而影响了载流子的链间传输过程。分叉侧链支化位点调控、形貌与微观结构调控、掺杂方法是调控载流子链间传输的三种有效方法。

3      材料的稳定性

材料的稳定性是有机热电器件走向应用必须要考虑的问题。N型导电聚合物中含有大量有机自由基或自由基阴离子,这些物种很容易被空气中的水和氧气淬灭,造成性能的显著下降。降低聚合物的LUMO能级和利用厚膜的自封装效应是提升n型导电聚合物空气稳定性的有效方法。与此同时,N型导电聚合物应用于热电材料必须同时考虑其热稳定性和电场下的稳定性。如使用高沸点的和掺杂过程不可逆的掺杂剂可以有效提升导电聚合物的热稳定性;调控掺杂剂与聚合物的相互作用可以优化其在电场下的稳定性。

该综述从分子设计到加工方法概述了提升n型热电材料中电导率的有效策略,为设计新的高性能n型聚合物热电材料提供了思路。

 

在前期工作的基础上,裴坚教授团队针对开发空气稳定的n型聚合物热电材料提出了新的分子设计策略。平面刚性的共轭聚合物不仅具有较强的分子间相互作用,同时在掺杂后可以实现更长的极化子离域长度,有利于载流子的链内传输。通过绿色高效的羟醛缩合反应连接两个缺电子片段,他们成功构筑由碳碳双键桥联的刚性共轭聚合物,LPPV。相比于传统通过偶联反应构筑的共轭聚合物,该方法不仅绿色高效,而且可以显著降低单体间的扭转角,提升扭转势垒,形成刚性的共轭骨架骨架中的吸电子基团和较窄的光学带隙(0.9 eV)共同作用使得LPPVLUMO能级低至-4.49 eV,预示着该聚合物较高的n掺杂效率和空气稳定性。

2. 刚性共平面的共轭聚合物LPPV

 

LPPV在掺杂后可以获得最高1.1 S cm-1的电导率和1.96 μW m-1 K-2的功率因子。微米级(1-2.5 μm)的LPPV厚膜在空气中暴露76天后仍然可以保持0.6 S cm-1,其功率因子在暴露空气中7天后仅有2%的衰减。这是目前报道的最稳定的n型聚合物热电材料。该分子设计策略为制备高性能共轭聚合物提供思路。

以上相关成果分别发表在Chemistry of Materials (Chem. Mater. 2019, acs.chemmater.9b01422)Angewandte Chemie (Angew. Chem. Int. Ed. 2019, anie.201905835)并被评为Very Important PaperVIP论文的第一作者为化学学院博士生卢阳。该研究工作受到了国家自然科学基金委科技部、教育部北京分子科学国家研究中心的资助。

 

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