共轭聚合物光电材料设计
共轭体系的设计与合成
共轭体系的设计与合成共轭体系是一种在有机化学中广泛应用的重要概念。
通过合适的设计与合成，可以构建具有共轭结构的有机分子，从而改变其光电性能，并应用于光电器件、生物传感器等领域。
本文将介绍共轭体系的设计与合成方法，并探讨其在不同应用方面的潜力。
从化学角度来说，共轭体系是指由相邻的π电子系统组成的一系列原子或官能团。
共轭体系的设计与合成是有机化学的重要研究领域，它提供了一种有效的方法来调控化合物的光电性能。
通过在分子中引入共轭结构，可以改变分子的能带结构和电荷分布，从而调节其光吸收、电导率和发光性能。
共轭体系的设计与合成方法有很多种，其中最常见的包括共轭聚合物的合成和有机小分子的修饰。
共轭聚合物是由具有共轭结构的单体通过化学反应而形成的高分子材料。
通过调节聚合物的结构和组成，可以实现对其光电性能的调控。
例如，在聚合物链中引入电子受体和供体单元，可以实现电荷的传输和分离，从而提高光电转换效率。
与聚合物相比，有机小分子的设计与合成更加灵活。
通过在有机小分子中引入共轭结构，可以改变其荧光、吸波和透明性等性质。
例如，通过合成具有共轭结构的有机染料，可以实现对光吸收和发光的调控。
这些有机染料可以应用于光电器件、生物传感器等领域，展示出良好的应用潜力。
除了共轭体系的设计和合成方法，还有一些其他的因素需要考虑。
例如，在设计和合成过程中需要考虑分子的溶解性、稳定性和结构特征等。
这些因素会直接影响分子的应用性能和稳定性。
因此，在共轭体系的设计与合成过程中，需要综合考虑各种因素，以实现对分子性能的调控和优化。
共轭体系的设计与合成不仅在有机光电材料领域有广泛应用，还在生物医学领域展示出了很大的应用潜力。
通过将共轭体系引入到生物分子中，可以实现对其荧光和电荷传输性能的调节，并应用于生物传感器和荧光标记等领域。
这些应用不仅可以提高生物分析的灵敏度和特异性，还可以为生物医学研究提供新的工具和方法。
综上所述，共轭体系的设计与合成是有机化学中的一个重要研究领域。
共轭高分子构建有机电致发光材料
共轭高分子构建有机电致发光材料随着科技的进步和人们对环保、节能的追求，有机电致发光材料作为新一代发光材料备受关注。
其中，共轭高分子材料因其独特的电致发光特性而成为研究热点。
本文将重点探讨共轭高分子在构建有机电致发光材料方面的应用。
共轭高分子是由具有π电子的共轭系统连接而成的高分子。
它们具有良好的导电性和光学性质，可以通过调整共轭系统的结构和改变共轭系统的长度来实现不同颜色的发光。
在有机电致发光材料领域，共轭高分子具有以下几个方面的优势。
首先，共轭高分子具有较高的载流子迁移率。
共轭系统中的π电子能够在分子内自由传递，因此共轭高分子具有良好的电子传输性能。
同时，与传统的发光材料相比，共轭高分子的载流子迁移率更高，有利于提高材料的发光效率。
其次，共轭高分子能够通过固态聚集诱导发光（AIE）效应来提高发光效率。
传统的有机发光材料在溶液状态下通常会发生聚集引起的荧光猝灭现象，导致发光效率低下。
而共轭高分子由于其特殊的分子结构，可以在固态聚集状态下发射荧光，极大地提高了发光效率。
此外，共轭高分子具有良好的机械可加工性。
由于其分子链结构的可调性，共轭高分子材料可以采用不同的制备方法制备成薄膜、纳米颗粒等形式，并且能够通过改变共轭结构来调控材料的光学性质。
这使得共轭高分子在多种载体中的应用非常灵活。
在实际应用中，共轭高分子构建的有机电致发光材料已广泛应用于照明、显示、生物医学等领域。
首先，在照明领域，共轭高分子材料可以制备出高亮度、高效率的有机发光二极管（OLED）。
OLED作为新一代照明技术，具有色彩饱和度高、能耗低、可柔性等优势，已经成为发展方向。
而共轭高分子材料的应用使OLED的发光效果更加均匀且可调，能够满足更多场景下的照明需求。
其次，在显示领域，共轭高分子材料可以用于构建有机发光场效应晶体管（OFET）。
OFET作为一种新型的显示技术，具有反应速度快、透明度高等优势，因此被广泛应用于触控面板、柔性显示等领域。
共轭聚合物半导体材料
共轭聚合物半导体材料
共轭聚合物半导体材料是一种新型的半导体材料，具有优异的电学性能和光学性能，因此在光电子学领域有着广泛的应用前景。
共轭聚合物半导体材料的特点是具有共轭结构，即分子中的π电子能够形成共轭体系，从而形成导电带和价带。
这种共轭结构使得共轭聚合物半导体材料具有良好的电子传输性能和光学吸收性能，因此被广泛应用于有机太阳能电池、有机场效应晶体管、有机发光二极管等领域。
共轭聚合物半导体材料的制备方法主要有两种：化学合成和物理气相沉积。
化学合成方法是通过有机合成化学反应来制备共轭聚合物半导体材料，这种方法可以控制共轭聚合物的分子结构和性能，但是制备过程较为复杂。
物理气相沉积方法是将共轭聚合物半导体材料通过蒸发或溅射的方式沉积在基底上，这种方法可以制备大面积、均匀的薄膜，但是对共轭聚合物的分子结构和性能控制较难。
共轭聚合物半导体材料的应用前景非常广泛。
在有机太阳能电池领域，共轭聚合物半导体材料可以作为光电转换层，将太阳能转化为电能。
在有机场效应晶体管领域，共轭聚合物半导体材料可以作为电子传输层，控制晶体管的电子传输性能。
在有机发光二极管领域，共轭聚合物半导体材料可以作为发光层，实现有机发光二极管的发光效果。
共轭聚合物半导体材料是一种非常有前途的新型半导体材料，具有优异的电学性能和光学性能，可以应用于光电子学领域的多个方面。
随着科技的不断发展，共轭聚合物半导体材料的应用前景将会越来越广阔。
共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池
第37卷第1期高分子材料科学与工程V o l .37,N o .1 2021年1月P O L YM E R MA T E R I A L SS C I E N C E A N DE N G I N E E R I N GJ a n .2021共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池李永舫(中国科学院化学研究所中国科学院有机固体重点实验室北京分子科学国家实验室,北京100190;苏州大学材料与化学化工学部先进光电材料重点实验室,江苏苏州215123)摘要:全聚合物太阳电池(a l l -P S C s )由p -型共轭聚合物给体和n -型共轭聚合物受体共混活性层夹在I T O 透明电极和金属顶电极之间所构成,除具有一般有机太阳电池器件结构简单㊁质量轻㊁可以制备成柔性和半透明器件等优点外,还具有形貌和光照稳定性好及抗弯折性能高等突出特点,最近成为有机太阳电池领域的研究热点㊂给体和受体光伏材料的吸收互补和能级匹配是获得高效a l l -P S C 的关键㊂本文将介绍n -型共轭聚合物受体光伏材料的发展历史,重点介绍最近发展的窄带隙小分子受体高分子化的聚合物受体光伏材料,基于这类聚合物受体光伏材料的全聚合物太阳电池的能量转换效率已经超过了15%㊂最后对共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池下一步的研究方向和研究重点进行了展望㊂关键词:共轭聚合物受体光伏材料;全聚合物太阳电池;n -型共轭聚合物;小分子受体高分子化中图分类号:TM 914.4 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2021)01-0200-09d o i :10.16865/j.c n k i .1000-7555.2021.0041收稿日期:2020-11-20基金项目:国家自然科学基金资助项目(51820105003);广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B 030302007)通讯联系人:李永舫,主要从事聚合物太阳电池光伏材料和器件研究, 聚合物太阳电池由p -型共轭聚合物给体和n -型有机半导体受体共混形成的活性层,夹在1个透明导电电极和1个金属顶电极之间所形成,具有器件结构和制备过程(溶液加工)简单㊁质量轻,以及可以制备成柔性和半透明器件等突出优点,近年来成为新型太阳电池领域的研究热点㊂得益于窄带隙有机小分子受体光伏材料的开发和发展[1],聚合物太阳电池的能量转换效率(P C E )最近2年迅速提升至15%~17%的水平[1~3],达到了可以向实际应用发展的门槛㊂聚合物太阳电池中使用的n -型有机半导体受体光伏材料主要包括三大类:可溶性C 60衍生物P C B M 等富勒烯衍生物㊁可溶性n -型小分子有机半导体以及可溶性n -型共轭聚合物㊂从H e e ge r 等提出本体异质结聚合物太阳电池概念的1995年[4]到2015年的20年时间里,P C B M 和茚双加成C 60衍生物I C B A 等富勒烯衍生物是受体材料的主流㊂2015年,占肖卫等合成了具有中心稠环给电子单元(D )和两端强吸电子单元(A )的A -D -A 结构窄带隙有机分子受体I T I C [5],开启了非富勒烯小分子受体的新阶段㊂2019年,邹应萍等通过在A -D -A 结构受体分子的中间稠环单元的中心再引入两边带2个吡咯环的吸电子单元(苯并噻二唑或苯并三氮唑),设计合成了具有A -D A D -A 结构的新型窄带隙有机小分子受体材料Y 6[1,6]㊂Y 6的吸收边红移至950n m 左右,并且吸收系数显著增强,基于P M 6为给体㊁Y 6为受体的聚合物太阳电池的P C E 达到了15.7%[1]㊂然后,随着器件的优化,基于Y 6及其衍生物为受体的聚合物太阳电池的能量转换效率快速提升至超过17%㊂使用n -型共轭聚合物为受体的全聚合物太阳电池在报道本体异质结聚合物太阳电池的1995年已经发表[7]㊂H e e ge r 等[7]使用一种腈基取代的P P V 衍生物C N -P P V (见F i g.1)作为聚合物受体与p -型共轭聚合物M E H -P P V 为给体共混制备了全聚合物太阳电池㊂他们使用卤钨灯为光源,在光强20mW/c m 2的光照条件下P C E 为0.25%㊂后来,由于基于富勒烯受体的聚合物太阳电池效率的提升,n -型聚合物受体和全聚合物太阳电池未能受到大家的重视,不过,相关研究工作并没有中断㊂早在2007年,占肖卫开发了一种基于艹北酰亚胺的n-型D-A共聚物受体光伏材料P D I-D T T (F i g.1)㊂使用本组开发的带噻吩乙烯共轭侧链的聚噻吩衍生物P3为给体,所制备的全聚合物太阳电池P C E达到了1.02%[8]㊂其后直到2016年,全聚合物太阳电池使用的受体聚合物基本上都是基于艹北酰亚胺和萘酰亚胺的n-型D-A共聚物,其中最具代表性的是基于萘酰亚胺的D-A共聚物N2200(见F i g.1)㊂但是到2015年之前,使用N2200等聚合物受体的全聚合物太阳电池的最高P C E仅达到4%~5%的水平[9]㊂2016年,笔者课题组使用N2200为受体以及与之能级匹配和在可见-近红外区吸收互补的聚合物J51为给体,使全聚合物太阳电池的能量转换效率提升至8.27%[10]㊂然而,受体聚合物N2200较弱的吸收系数限制了全聚合物太阳电池短路电流的提升㊂考虑到最近几年发展的窄带隙小分子受体光伏材料具有强的吸收系数的优点,笔者课题组提出了将窄带隙小分子受体高分子化的分子设计策略,通过将窄带隙小分子受体I D I C衍生物作为结构单元与噻吩结构单元共聚㊁合成了新型聚合物受体光伏材料P Z1,基于P Z1为聚合物受体的全聚合物太阳电池的P C E 于2017年进一步提升至9.19%[11],随后,这种小分子受体高分子化策略[12]受到同行广泛关注㊂最近将这种策略应用于高效明星受体分子Y6合成了一些高效聚合物受体光伏材料,将全聚合物太阳电池的P C E提升至12%~15%的水平[13~16]㊂F i g.1D e v e l o p m e n t h i s t o r y o f t h e n-t y p e c o n j u g a t e d p o l y m e r a c c e p t o r sw i t h t h e i rm o l e c u l a r s t r u c t u r e s a n d a l l p o l y m e r s o l a r c e l l s[12]1基于P P V衍生物受体的全聚合物太阳电池前已述及,最早用于全聚合物太阳电池的聚合物受体是P P V衍生物C N-P P V[8]㊂Y u和H e e g e r使用M E H-P P V为给体㊁C N-P P V为受体制备了全聚合物太阳电池㊂他们首先测量了M E H-P P V和C N-P P V 的吸收光谱,发现C N-P P V的吸收较M E H-P P V发生了明显的红移,因此共混膜的吸收较M E H-P P V 有明显拓宽㊂他们通过测量荧光光谱证明了在光照条件下在M E H-P P V和C N-P P V之间发生了电荷转移,致使共混膜较纯给体和纯受体膜的荧光强度显著减弱㊂他们使用卤钨灯为光源,研究了基于M E H-P P VʒC N-P P V的全聚合物太阳电池P C E与入射光光强之间的关系,发现P C E随光强的减弱有所提高㊂在光强为20mW/c m2光照条件下P C E为0.25%[7]㊂笔者课题组邹应萍2006年报道了一个在苯环上乙腈基取代的P P V衍生物n-型共轭聚合物D O C N-P P V(分子结构见F i g.2)[17],该聚合物薄膜的吸收边在600n m左右,与C N-P P V的吸收光谱类似㊂用电化学方法测量的D O C N-P P V的L UMO能级为-3.65e V,HOMO能级在-5.75e V左右㊂其L U-MO和HOMO能级较C N-P P V有所降低㊂值得注意的是,在电化学循环伏安测量中发现,D O C N-P P V102第1期李永舫:共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池在负电位区呈现了1对可逆的还原和再氧化电流峰,但在正电位区却表现出弱的不可逆的氧化电流峰,表明了D O C N -P P V 的n -型有机半导体的特性㊂笔者课题组还通过原位电化学吸收光谱研究了D O C N -P P V 的n -型掺杂/脱掺杂特性[17]㊂F i g.2 M o l e c u l a r s t r u c t u r e o fD O C N -P P V 笔者课题组进一步研究了D O C N -P P V 用作聚合物受体在全聚合物太阳电池中的光伏性能,桑广义等使用带共轭侧链的聚噻吩衍生物做给体㊁D O C N -P P V 为受体制备的全聚合物太阳电池,能量转换效率达到了0.8%[18]㊂2 艹北酰亚胺和萘酰亚胺类D -A 共聚物受体光伏材料2007年,占肖卫开发了一种基于艹北酰亚胺的n -型D -A 共聚物受体光伏材料P D I -D T T (F i g.1)㊂使用本组开发的带噻吩乙烯共轭侧链的聚噻吩衍生物P 3为给体,所制备的全聚合物太阳电池P C E 达到了1.02%[8]㊂进而,笔者课题组与占肖卫课题组合作对受体聚合物和给体聚合物的结构进行了改进,研究了受体聚合物中给体单元三并噻吩的个数以及给体聚合物聚噻吩衍生物的噻吩乙烯共轭侧链长度对其光伏性能的影响㊂其中给体单元为二连三并噻吩的聚合物受体和共轭侧链为三连噻吩乙烯的聚合物给体共混(质量比3ʒ1)制备的全聚合物太阳电池,在AM 1.5,100mW /c m 2光照条件下,P C E 达到1.48%[19]㊂2015年,张有地等[20]合成了艹北酰亚胺(P D I)受体单元与苯并二噻吩(B D T )给体单元的D -A 共聚物受体P (P D I -B D T -O )和P (P D I -B D T -T )(分子结构见F i g.3),其中带噻吩共轭侧链的聚合物受体P (P D I -B D T -T )在可见-近红外区具有宽的吸收,其禁带宽度为1.64e V ㊂L UMO 能级为-3.89e V ,与传统富勒烯受体P C B M 的L UMO 能级相近㊂以P (P D I -B D T -T )为受体㊁P T B 7-T h 为聚合物给体的全聚合物太阳电池,P C E 达到4.71%(J s c =11.51m A /c m 2,V o c =0.80V ,F F =51.1%)㊂而基于烷氧基取代的聚合物受体P (P D I -B D T -O )的全聚合物太阳电池的效率只有2.75%[20]㊂ F i g .3 M o l e c u l a r s t r u c t u r e s a n d e l e c t r o n i c e n e r g y l e v e l s o f p o l y m e r d o n o rP T B 7-T h a n d p o l y m e r a c c e pt o r s P (P D I -B D T -O )a n dP (P D I -B D T -T ) 2008年,郭旭刚等[21]报道了一种基于萘酰亚胺的具有高电子迁移率的n -型共轭聚合物N 2200(分子结构见F i g.1),其后N 2200成为了一种有代表性的商品化的聚合物n -型有机半导体材料,并被广泛应用于全聚合物太阳电池中㊂2016年,笔者课题组[10]使用本组开发的宽带隙聚合物J 51为给体㊁N 2200为受体制备了全聚合物太阳电池(F i g .4(a ),F i g.4(b )),给体聚合物J 51和受体聚合物N 2200在300~850n m 光谱范围内吸收互补(见F i g.4(c ))㊂它们的L UMO 和H OMO 能级也能很好地匹配㊂基于J 51ʒN 2200的全聚合物太阳电池的能量转换效率达到了8.26%,是2016年当时全聚合物太阳电池的最高效率㊂应磊和黄飞等开发了一系列宽带隙聚合物给体光伏材料[22],与N 2200共混制备的全聚合物太阳电池的能量转换效率提高到了9%~11%的水平[22~26]㊂3 窄带隙小分子受体高分子化的聚合物受体光伏材料202高分子材料科学与工程2021年N 2200用作聚合物受体在全聚合物太阳电池中虽然表现出不错的光伏性能,但是其在近红外区较弱的吸收系数限制了器件短路电流和能量转换效率的进一步提高㊂而2015年以来发展的窄带隙小分子受体光伏材料具有很强的吸收㊁合适的电子能级和优异的光伏性能,考虑到小分子受体光伏材料的这些突出优点,笔者课题组提出了窄带隙小分子受体高分子化(P o l y m e r i z e d s m a l lm o l e c u l e a c c e pt o r ,P S MA [12])制备强吸收聚合物受体光伏材料的合成策略[11,12]㊂用小分子受体I D I C 为分子结构单元与噻吩单元S t i l l e偶连共聚,合成了以I D I C 为分子骨架㊁噻吩为联接单元的窄带隙强吸收的聚合物受体P Z 1(见F i g .1)[11],F i g .5为P Z 1的合成路线㊂与其对应的小分子受体骨架I D I C -C 16相比,P Z 1的吸收光谱发生了红移,HOMO 和L UMO 能级略有上移㊂受体的L UMO 能级上移有利于提高器件的开路电压㊂基于P Z 1为聚合物受体㊁宽带隙聚合物P B D B -T 为给体的全聚合物P S C 的能量转换效率提升到了9.19%(开路电压(V o c )=0.830V ,短路电流(J s c )=16.05m A /c m 2,填充因子(F F )=68.99%)[11]㊂ F i g .4 (a )D e v i c e s t r u c t u r e o f t h e a l l -P S C s .(b )M o l e c u l a r s t r u c t u r e s o f b r o a d b a n d g a p p o l y m e r d o n o r J 50,J 51a n d n a r r o wb a n d g a p p o l ym e r a c c e p t o rN 2200.(c )A b s o r p t i o n s p e c t r a o f p o l y m e r d o n o r J 51,p o l y m e r a c c e pt o rN 2200a n d t h e i r b l e n d f i l m F i g .5 S y n t h e t i c r o u t e o f t h e p o l y m e r a c c e pt o rP Z 1b a s e do n t h em o l e c u l a r b a c k b o n e o f I D I Cd e r i v a t i v e [11]302 第1期李永舫:共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池这一P S MA策略在设计和合成新型聚合物受体方面显示了以下突出的优点:(1)保留了窄带隙小分子受体(S MA)宽和强吸收以及合适的电子能级的突出优点;(2)增加了好的成膜性㊁高的形貌和光照稳定性等的聚合物受体的优点;(3)可供选择的小分子受体分子骨架和连接单元种类繁多,为合成各种P S-MA㊁调制P S MA的物理化学性质和光伏性能提供了条件㊂因此,自2017年P Z1发表以来的这几年时间里,P S MA策略受到了聚合物光伏材料研究者的重视,基于这一策略合成了一系列高效聚合物受体光伏材料㊂3.1基于I D I C的P S M A s在2017年当时已报道的A-D-A结构窄带隙小分子受体光伏材料中,I D I C具有相对简单的中心稠环给电子(D)结构(取代基为简单的柔性烷基链),这比较方便与连结单元共聚而合成聚合物,同时㊂噻吩是一个简单的可用于共聚的共轭结构单元㊂所以笔者课题组设计合成的第1个P S MA聚合物受体就是基于I D I C与噻吩单元的共聚物P Z1(F i g.5)[11]㊂需要指出的是,P Z1中的I D I C单元上的烷基侧链较小分子受体I D I C有所延长,这是由于聚合物的溶解度较小分子有所下降,为了保证足够的溶解度,聚合物骨架中I D I C单元上的柔性侧链需要增加碳链的长度㊂P Z1薄膜在700n m处的最大吸收达到1.3ˑ105 c m-1,远高于N2200薄膜的吸收系数㊂因此,与基于N2200的全聚合物太阳电池相比,基于P Z1的全聚合物太阳电池(使用P B D B-T(分子结构见F i g.6)为聚合物给体)在近红外区的光电转换外量子效率(E Q E)显著增强,从而获得了高的短路电流和高的能量转换效率(9.19%)[11]㊂张茂杰等使用P M6(分子结构见F i g.6)为聚合物给体,基于P Z1的a l l-P S C 的V O C提高到0.96V,J s c达到17.1m A/c m2,P C E 达到了11.2%[27],这在论文发表时的2019年是当时全聚合物太阳电池的最高效率之一㊂颜河等[28]合成了一系列以I D I C为分子骨架㊁苯并二噻吩(B D T)为连结单元的P M S A,即B D T上带烷基和氟取代噻吩侧链的P F B D T-I D T I C(F i g.6)㊂P F B D T-I D T I C在704n m处的最大吸收达到2.74ˑ105c m-1,其薄膜吸收边为767n m,较P Z1的吸收边(800n m)有所蓝移,而其L UMO能级(-3.85 e V)与P Z1相似㊂使用P M6为聚合物给体,基于P F B D T-I D T I C的a l l-P S C s的P C E达到10.3% (V O C=0.97V㊂陈义旺等[29]将B D T连结单元上的侧链换成带烷硫基和氟取代噻吩和带硅烷基取代噻吩,分别合成了聚合物受体P F S-I D I C和P S i-I D I C,这2种聚合物受体也具有与P F B D T-I D T I C类似的L UMO能级和高的吸收系数(超过1.1ˑ105 c m-1)㊂使用P M6为聚合物给体,基于P S F-I D I C 的全聚合物太阳电池的P C E达到10.8%,而基于P S i-I D I C的器件的P C E为8.29%㊂L i等[30]合成了一系列二连噻吩(B T)为连接单元㊁I D I C为分子骨架的P S MA s,包括P I D I C2T,B T 单元上氟取代的P I D I C2T2F和B T单元上氯取代的P I D I C2T2C l(F i g.6)㊂发现B T单元上卤素取代能增强分子之间的π-π相互作用和提高聚合物受体得额电子迁移率㊂其中P I D I C2T2C l表现出最好的光伏性能,基于P I D I C2T2C l的全聚合物太阳电池的P C E达到7.11%,而基于P I D I C2T2F和P I D I C2T2C l 的器件效率分别只有4.96%和4.89%㊂凡群平等[31]合成了以C,S i,G e原子桥连的二噻吩为连结单元的P S MA s P F2-D T C,P F2-D T S i和P F2-D T G e (F i g.6)㊂不同的桥连原子对聚合物的吸收边没有明显影响(吸收边都在785n m),但是影响了聚合物的结晶性能㊁吸收系数㊁电子迁移率,以及共混膜的形貌㊂P F2-D T S i膜具有最高的吸收系数(1.31ˑ105 c m-1)㊂使用P M6为聚合物给体,基于P F2-D T S i的全聚合物太阳电池的P C E达到10.77%[31]㊂另外,基于P F2-D T S i的柔性器件具有非常好的柔韧性和抗弯折性能[31]㊂凡群平等还改变连接单元合成了另外2种P S MA sP F3-D T C和P F3-D T C O(F i g.6)㊂P F3-D T C O薄膜在745n m处的系数达到1.34ˑ105 c m-1,电子迁移率达到8.32ˑ10-4c m2/(V㊃s)㊂基于Y6ʒP F3-D T C O的a l l-P S C的P C E达到10.13%[32]㊂张茂杰等[33]使用I T I C类的分子结构骨架合成了聚合物受体材料P N1(F i g.6),P N1在550~800 n m范围内具有宽和强的吸收㊁-3.85e V的合适的L UMO能级㊁有序的分子堆积和有利于电子传输的F a c e-o n定向结构㊂基于P M6ʒP N1的a l l-P S C s具有1.0V高的开路电压,P C E达到10.5%㊂颜河等[34]合成了一个与P N1类似的P S MA P T-I D T T I C (F i g.6),基于P M6为给体㊁P T-I D T T I C为受体的a l l-P S C的P C E提高到12.06%㊂最近,凡群平等[35]使用非共轭的连结单元合成了一种P S MAP F1-T S4(F i g.6),基于P M6ʒP F1-T S4的a l l-P S C s的P C E也达到了8.63%,并且这种402高分子材料科学与工程2021年全聚合物太阳电池具有很好的热稳定性和好的溶解性㊂F i g .6 M o l e c u l a r s t r u c t u r e s o f t h e p o l y m e r d o n o r s P B D B -T ,P M 6a n d t h eP S M A p o l y m e r a c c e pt o r sw i t h t h e m o l e c u l a r b a c k b o n e o f I D I Cd e r i v a t i v e[12]3.2 基于Y 6的P S M A s2019年初,邹应萍等[1]报道了明星受体分子Y 6,其吸收边达到950n m ,基于Y 6的聚合物太阳电池的P C E 很快提升至15%~17%的水平[1~3,36,37]㊂Y 6优越的光伏性能很快引起了P S MA 研究者的注意,基于Y 6的P S MA s 很快成为了聚合物受体光伏材料的热门研究方向,并且将全聚合物太阳电池的能量转换效率迅速提升至12%~15%的新高度㊂应磊和黄飞等[14]合成了基于Y 6的P S MA s ,P J 1(F i g.7),发现这种P S MA 在600~900n m 波长范围内有宽和强的吸收,并且其吸收光谱随聚合物相对分子质量的增加而发生红移和增强,高分子量的P J 1-H薄膜的吸收系数达到1.39ˑ105c m -1㊂基于P B D B -T ʒP J 1-H 的a l l -P S C 获得了14.4%的高的能量转换效502 第1期李永舫:共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池率(V O C=0.90V,J S C=22.3m A/c m2,F F=70%)㊂同时,这种全聚合物太阳电池具有非常好的热稳定性,并且其光伏性能对器件活性层厚度不敏感,这有利于将来实际应用的大面积制备㊂与此同时,闵杰等[15]合成了类似的㊁稠环上具有稍短侧链的P S MA P Y T(F i g.7),具有中间分子量的P Y T M(M n= 12.3ˑ103)具有较高的光伏性能,基于P Y T M-的a l l-P S C s的P C E达到13.44%㊂F i g.7M o l e c u l a r s t r u c t u r e s o f t h eP S M A p o l y m e r a c c e p t o r sw i t h t h em o l e c u l a r b a c k b o n e o fY6d e r i v a t i v e[12]笔者课题组杜家琦等[13]报道了一系列基于Y6分子骨架㊁噻吩连结单元和酯基取代噻吩(E T)为第三功能基团的三元共聚P S MA s P T P B T-E T x (F i g.7)㊂通过控制E T单元的含量调制了聚合物的吸收和电子能级㊂使用P B D B-T为聚合物给体,基于P T P B T-E T0.3的a l l-P S C s的P C E达到12.52%,并且该器件具有较好的光照稳定性㊂周二军等[38]使用B D T为连结单元合成了基于Y6的P S MA A701 (F i g.7)基于P B D B-TʒA701的全聚合物太阳电池的P C E为10.70%㊂最近应磊等[16]在Y6骨架单元末端中引入氟取代,合成了新的P A S M聚合物P F A1㊂氟原子的引入进一步增强了分子之间的相互作用,提高了光伏性能㊂以他们合成的P T z B I-o F为聚合物给体㊁P F S1为聚合物受体的全聚合物太阳电池的P C E突破了15%,达到了15.11%[16]㊂4小结和展望n-型共轭聚合物受体和全聚合物太阳电池(a l l-P S C),与基于富勒烯受体和n-型小分子有机半导体受体的聚合物太阳电池一样,已经经历了25年的发展历程㊂全聚合物太阳电池的能量转换效率(P C E),从早期基于C N-P P V聚合物受体的不到1%,发展到基于艹北酰亚胺和萘酰亚胺的D-A共聚物受体(有代表性的聚合物为N2200)的8%~10%,再到最近基于P S MA聚合物受体的器件突破15%,达到了可以向实际应用发展的门槛㊂全聚合物太阳电池具有成膜性优越㊁抗弯折柔韧性好㊁光照稳定性和形貌稳定性高等突出优点,有望在柔性聚合物太阳电池中优先获得实际应用㊂要想真正实现柔性全聚合物太阳电池的应用,还需要在以下几个方面开展深入的研究工作㊂(1)聚合物光伏材料和全聚合物太阳电池的稳定性研究:3~5年的使用寿命是实现柔性聚合物太阳电池实际应用的最低要求,因此研究和解决光伏材料和器件的稳定性问题是实现实际应用的关键㊂稳定性问题包括光伏材料的化学稳定性㊁光照稳定性㊁形貌稳定性以及器件光伏性能的可重复性和稳定性㊂602高分子材料科学与工程2021年聚合物光伏材料的化学稳定性和形貌稳定性应该优于小分子材料,但是其相对分子质量控制和批次稳定性需要下大功夫㊂聚合物光伏材料的光照稳定性仍缺少明晰的结论,需要开展系统的研究工作㊂(2)新型P S MA聚合物受体光伏材料的设计和合成:窄带隙小分子受体高分子化(P S MA)策略为新型聚合物受体的设计合成开辟了有效的途径㊂最近几年,窄带隙小分子受体获得了快速发展,各种新型小分子受体不断涌现,这为设计和合成新型P S MA 奠定了基础,提供了分子骨架源泉㊂(3)柔性全聚合物太阳电池的器件制备和优化:全聚合物太阳电池将来的应用领域应该是柔性器件,然而当前柔性全聚合物太阳电池的研究还比较少㊂应该在大面积全聚合物太阳电池的溶液加工制备方法㊁电极界面修饰层材料的选取㊁界面修饰层材料对器件稳定性的影响,以及柔性器件的隔水隔氧封装等方面开展系统深入的研究工作㊂为将来柔性全聚合物太阳电池的工业化制备和应用打下基础㊂参考文献:[1] Y u a n J,Z h a n g Y,Z h o uL,e t a l.S i n g l e j u n c t i o no r g a n i c s o l a rc e l lw i t h o v e r15%e f f i c i e n c y u s i n g f u s e d-r i n g a c c e p t o r w i t he l e c t r o n-d ef i c i e n t c o r e[J].J o u l e,2019,3:1140-1151.[2]W u Y,Z h e n g Y,Y a n g H,e ta l.R a t i 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a t t r a c t e d g r e a t a t t e n t i o n sa n db e c o m eh o t r e s e a r c ht o p i cr e c e n t l y.T h ec o m p l e m e n t a r y a b s o r p t i o na n d e n e r g y l e v e lm a t c h i n g a r ec r u c i a l f o ra c h i e v i n g h i g h p o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y(P C E)o f t h ea l l-P S C s.I n t h i s r e v i e wa r t i c l e,Iw i l ld e s c r i b e t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y o f t h en-t y p ec o n j u g a t e d p o l y m e r sa n dt h ea l l-P S C s,a n d Iw i l lm a i n l y f o c u so n i n t r o d u c i n g t h en a r r o wb a n d g a p a n ds t r o n g a b s o r p t i o n p o l y m e r i z e ds m a l l m o l e c u l e a c c e p t o r s(P S MA s).T h eP C Eo f t h ea l l-P S C sw i t ht h eP S MAa s p o l y m e ra c c e p t o r r e a c h e do v e r 15%r e c e n t l y.F i n a l l y,f u t u r e p r o s p e c t so f t h eP S MA sa n dt h ea l l-P S C sw e r ed i s c u s s e do nt h en e x ts t e p r e s e a r c hd i r e c t i o n s.K 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超支化共轭聚合物—一种新型光电功能活性材料
国家基金（９０１０｜０２５和５００８３００２）项目
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图２ Ｎｉ２＋对ＢＰＹ．ＨＰＶ的荧光猝灭及Ｓｔｅｍ－Ｖｏｌｍｅｒ相关图
主要参考文献：
１ Ｓｃｏｔｔ．Ｍ．ｇｒａｙｓｏｎ．Ｊｅａｎ Ｍ．Ｊ．Ｆｒ６ｃ．ｈｅＬ Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．２００ｌ，１０１，３８１９－３９６７ ２ Ｂｏｓｍａｎ ＡＷ，Ｊａｎｓｓｅｎ ＨＭ，Ｍｅｉｊｅｒ ＥＷ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ １９９９，９９，１６６５－８８ ３ Ｈｅ，Ｑ．Ｇ．；Ｌｉｎ，Ｔ．；Ｙａｎｇ，Ｊ．Ｌ．；Ｌｉｎ．Ｈ．Ｚ．；Ｂａｉ，Ｆ．Ｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ａｄｖ．Ｔｅｃｈｎ０１．２００２，１３，１９６·２００； ４ Ｑｉｎｇｇｕｏ ＨＥ，Ｆｅｎｇ｜ｉａｎ ＢＡＩ，Ｊｕｎｌｉｎ ＹＡＮＧ，Ｈｏｎｇｚｈｅｎ ＬＩＮ，Ｈｏｎｇｍｉｎ ＨＵＡＮＧ，Ｇｕｉ ＹＵ，Ｙｏｎｇｆａｎｇ
富勒烯复合的基础和理论，采用原位聚合法制备超支化σ-共轭聚合物和富勒烯的复合物，即在富勒烯存在的条件下合成超支化聚硅烷。利用两者的3-D结构期望制备出一种新型具有互穿结构的电子给体/受体复合物。我们通过各种方式对产物进行全面的表征，研究了其结构、性质及潜在的应用前景。
结果表明，我们采用武兹缩合法成功合成出了超支化
５９７８－５９８３
７ Ｊｉｎ ＺＨＡＩ。Ｙｉｎｇｓｈｕｎ Ｌｉ，Ｑｉｎｇｇｕｏ ＨＥ，ＦｅｎｇｌＪａｎ ＢＡＩ，Ｌｅｉ ＪＩＡＮＧ Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，１０５，４０９４，２００ ｌ
Ｈｙｐｅｒｂｒａｎｅｈｅｄ ＣＯｎｊｕｇａｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒｓ—吼ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
共轭聚合物半导体材料
共轭聚合物半导体材料共轭聚合物半导体材料是一类具有特殊结构的半导体材料，其独特的电子结构和优良的光电性能使其在光电子学领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍共轭聚合物半导体材料的基本概念、合成方法、电子结构以及应用前景。
一、共轭聚合物半导体材料的基本概念共轭聚合物是一种由多个共轭碳-碳键构成的高分子化合物，其分子骨架呈现出平面的π电子共轭结构。
这种特殊的结构使共轭聚合物具有良好的电子传输性能和光吸收性能。
其中，半导体材料是一种能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，具有一定的导电性能和光电转换性能。
共轭聚合物半导体材料的合成方法多种多样，常见的方法包括化学合成法、溶液浸渍法、电化学合成法等。
其中，化学合成法是最常用的方法之一。
通过将合适的单体分子进行聚合反应，可以得到具有一定结构和性能的共轭聚合物半导体材料。
三、共轭聚合物半导体材料的电子结构共轭聚合物半导体材料的电子结构主要由其分子骨架中的π电子能级决定。
在共轭聚合物中，π电子能级分为导带和价带两部分。
导带中的电子可以自由移动，形成电子的导电性；而价带中的空位可以容纳电子，形成电子的传导性。
共轭聚合物半导体材料的电子结构决定了其导电性能和光吸收性能。
四、共轭聚合物半导体材料的应用前景共轭聚合物半导体材料在光电子学领域具有广泛的应用前景。
首先，由于其良好的导电性能，共轭聚合物半导体材料可以应用于有机电子器件的制备，如有机场效应晶体管、有机太阳能电池等。
其次，共轭聚合物半导体材料具有较高的光吸收性能和荧光发射性能，可以应用于光电转换器件的制备，如有机发光二极管、有机激光器等。
此外，共轭聚合物半导体材料还可以应用于传感器、光电存储器等领域。
共轭聚合物半导体材料具有独特的电子结构和优良的光电性能，其在光电子学领域具有广泛的应用前景。
通过合理的合成方法和优化的电子结构设计，可以进一步提高共轭聚合物半导体材料的性能，拓展其应用范围。
未来，共轭聚合物半导体材料有望在能源、信息、生物医学等领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出贡献。
光电材料的合成和性能分析
光电材料的合成和性能分析近年来，随着科技的迅猛发展，光电领域的研究也越来越受到人们的关注。
光电材料作为光电领域中的重要组成部分，对于推动光电领域的发展与进步起着至关重要的作用。
在光电材料的研究中，合成和性能分析是两个关键的环节，本文将就光电材料的合成及其性能分析进行探讨。
一、光电材料的合成光电材料的合成是指通过人工手段或化学方法，将各种元素或化合物材料按照一定的比例、方法和条件，进行加工、烧结、晶化等物理或化学变化的过程，从而获得一种具有特定光电性质的新材料。
常见的光电材料包括无机材料、有机材料及其复合材料等。
其合成方法各有所长，下面将分别进行阐述。
1. 无机材料的合成无机光电材料通常通过化学反应或物理方法进行制备，具体分为以下几种方法：(1) 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法采用溶胶形成和凝胶成形的方法来制备材料。
这种方法具体操作是将酸性或碱性的水溶性金属盐或还原剂入溶于适量的溶剂中，制备成溶胶，然后进行干燥，形成凝胶，并以适当温度和时间进行焙烧。
(2) 水热法水热法是将材料和合适的溶剂混合，加入化学添加剂，在高温、高压条件下反应几个小时，形成产品。
这种方法简单、环保且容易控制，适用于制备三维结构和纳米材料。
(3) 熔盐电解法熔盐电解法是一种利用在电解槽中熔化的盐溶液来制备材料的方法。
该方法需要比较高的温度和熔点，常用于制备锂离子电池或卤素离子电池的电极材料。
2. 有机材料的合成有机光电材料一般采用化学合成的方法进行，具体如下：(1) 共轭聚合物的合成共轭聚合物是一类具有良好光电性质的有机高分子，其合成一般包括自由基聚合、阴离子聚合、离子交换聚合及特殊的暗合等方法。
(2) 金属有机框架的合成金属有机框架是指由金属离子与有机配基反应形成的二维或三维网状结构化合物，其合成方法包括连续或间歇型的溶液法、气相法、水热法等。
该类材料具有良好的气体吸附、储存性能，适用于气体分离、气体传感等领域。
3. 合成注意事项在进行光电材料的合成时，需要特别注意以下几点：(1) 反应产物的存储应在无水、无氧的环境下进行，以避免反应产品的失效。
共轭聚合物的合成及性能研究
共轭聚合物的合成及性能研究共轭聚合物是一类具有高分子结构的材料，其分子结构中存在着一连串的共轭双键，这种结构使得共轭聚合物具有一系列优异的性能。
从材料科学的角度来看，共轭聚合物在光电器件、传感器、药物输送等领域具有广泛的应用前景。
因此，许多研究人员致力于共轭聚合物的合成及性能研究，旨在寻找更优异的共轭聚合物材料，以满足不同领域的需求。
共轭聚合物的合成是一个复杂而精细的过程。
通常情况下，共轭聚合物的合成可以通过热聚合、阳离子聚合、阴离子聚合等方式进行。
其中，热聚合是最为常见的方式，通过在适当条件下将含有双键的单体进行热反应，形成共轭结构。
此外，还可以通过催化剂的引入来促进聚合反应的进行，提高合成效率和产物质量。
然而，共轭聚合物的合成并不仅仅是简单的化学反应过程，更需要考虑材料的性能需求。
在合成共轭聚合物时，研究人员常常需要精确控制反应条件，以确保产物的结构和性能符合要求。
例如，通过合适的溶剂选择、反应温度控制、催化剂使用等手段，可以调控共轭聚合物的分子结构和链长，从而影响其光电性能、导电性能等方面的表现。
在共轭聚合物的性能研究中，光电性能是一个至关重要的指标。
共轭聚合物通常具有较宽的光谱吸收范围和高的吸收系数，适合用于光电器件的制备。
研究人员可以通过调控共轭聚合物的分子结构和取代基团，来改变其吸收光谱和光电转换效率。
此外，共轭聚合物还常常具有较好的荷移迁移性，有助于提高电荷载流子的迁移速度和电子传输效率。
除了光电性能，共轭聚合物的导电性能也是研究的重点之一。
共轭聚合物具有很高的载流子迁移率和导电性，适合用于制备柔性电子器件和传感器。
研究人员可以通过掺杂或引入掺杂物来调控共轭聚合物的导电性能，例如半导体性能、电阻率等参数。
此外，共轭聚合物还具有较好的机械性能和可塑性，适用于柔性材料的应用。
从合成到性能研究，共轭聚合物的研究领域涉及多个学科和领域，需要研究人员具备跨学科的知识和技能。
共轭聚合物的合成及性能研究既有基础研究的一面，也有应用研究的一面，需要研究人员在实验操作技能、数据解析能力、学科交叉融合等方面有较高水平。
d-a型共轭聚合物光催化材料的分子水平调控策略
d-a型共轭聚合物光催化材料的分子水平调控策略随着环境污染和能源危机的日益加剧，人们对环境友好材料和新能源的需求也与日俱增。
在这样的背景下，光催化材料逐渐受到人们的关注。
d-a型共轭聚合物作为一种重要的光催化材料，其分子结构的设计与调控对其光催化性能具有重要影响。
本文将从分子水平出发，探讨d-a型共轭聚合物光催化材料的分子水平调控策略。
一、d-a型共轭聚合物的光催化机理1. d-a型共轭聚合物的结构特点d-a型共轭聚合物是由给体单元（donor）和受体单元（acceptor）交替排列构成的共轭聚合物。
给体单元通常是含有丰富电子的芳香烃类结构，而受体单元则是结构较小、电子亲和性较强的单元。
这种结构特点使得d-a型共轭聚合物在光照条件下，能够吸收光能并产生激子，最终转化为电子-空穴对，从而实现光催化反应。
2. 光催化机理在d-a型共轭聚合物的光催化反应中，光能的吸收激发了共轭系统中的电子，形成了激子。
随着激子的扩散和分离，电子和空穴会被转移到材料的界面上，并参与光催化反应。
其中，受体单元的电子会转移到给体单元，而空穴则会在受体单元中留下。
这些电子-空穴对参与了光解水、光还原CO2等重要光催化反应，从而实现了能源的转化和环境的净化。
二、分子水平调控策略1. 分子结构的设计在d-a型共轭聚合物的分子水平调控中，首先是要对其分子结构进行合理的设计。
通过在共轭链上引入不同的给体单元和受体单元，可以调控共轭体系的电子结构和能级，从而实现光电子的有效传递和分离。
还可以利用共轭聚合物的分子内旋打的方式，调控分子的构象，提高其在光催化反应中的效率。
2. 分子间相互作用的调控在分子水平调控中，分子间的相互作用也是至关重要的。
通过引入表面活性剂、溶剂共混等手段，可以有效调控d-a型共轭聚合物在溶液和固态中的聚集行为。
这种调控可以改变分子的取向和排列，从而优化其在光催化反应中的光吸收和载流子传输性能。
3. 材料后处理的调控除了在合成阶段对分子结构进行设计和调控，材料的后处理也是不可忽视的。
有机半导体材料的合成及其在光电器件中的应用研究
有机半导体材料的合成及其在光电器件中的应用研究引言：随着科学技术的不断进步，有机半导体材料作为一种新兴的材料，其在光电器件中的应用越来越受到研究人员的关注。
有机半导体材料具有独特的电子结构和光电特性，使其成为光电器件领域的热门研究方向。
本文将探讨有机半导体材料的合成方法以及其在光电器件中的应用，并展望该领域的发展前景。
一、有机半导体材料的合成方法1. 共轭聚合物合成共轭聚合物是有机半导体材料中常用的一类材料。
其合成方法主要包括有机合成化学和高分子合成化学。
有机合成化学是通过有机反应合成单体，再进行聚合反应得到共轭聚合物。
高分子合成化学则是通过聚合物链延长的方法构建共轭聚合物。
这些方法可以合成出具有理想结构和光电性能的共轭聚合物。
2. 小分子有机半导体材料合成小分子有机半导体材料合成方法主要包括有机合成化学和物理化学方法。
例如，通过合成具有特殊结构的芳香有机分子来实现分子内或分子间的电子传输，从而得到高效的有机半导体材料。
物理化学方法包括溶液法、蒸发法和沉积法等，这些方法能够制备出高质量的小分子有机半导体材料。
二、有机半导体材料在光电器件中的应用1. 有机太阳能电池有机太阳能电池是有机半导体材料在光电器件中的重要应用之一。
有机太阳能电池采用有机半导体材料作为光吸收层，通过光电转换将太阳能转化为电能。
有机半导体材料具有高度的光电转换效率和可调制性，能够实现低成本、灵活、轻薄等特点，为太阳能利用提供了新的可能。
2. 有机发光二极管（OLED）有机发光二极管是一种新型的光电器件，其主要利用有机半导体材料的发光特性来实现光的发射。
相比于传统的无机材料，有机发光二极管具有发光效率高、色彩丰富、可弯曲等优点。
具有广泛的应用前景，如平板显示器、手机屏幕等。
3. 有机光电传感器有机光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的光电器件，广泛应用于光电通信、光电测量等领域。
有机半导体材料作为光吸收层具有高单位吸光度和快速载流子传输特性，能够实现高灵敏度、宽光谱响应范围的光电传感器。
共轭荧光聚合物
共轭荧光聚合物
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一、共轭荧光聚合物
1、什么是共轭荧光聚合物
共轭荧光聚合物是一种高分子材料，它由两种荧光分子组成：一种叫作“荧光子”（例如，9-亚甲基芴）另一种称作“发射子”（例如，亚苯基芴），这两种荧光分子互相共轭，以形成一个有机分子链。
它的特点是：当受到紫外线的照射时，荧光子会发出荧光，并且发出的荧光可以被发射子吸收，使荧光发射出来。
这种荧光发射的效率可以达到80％以上，对于一些高效率的应用而言，尤其是在光电子领域，共轭荧光聚合物是极具吸引力的。
2、共轭荧光聚合物的特点
共轭荧光聚合物具有很多优点，如：
（1）高分子聚合物的高分子结构可以很容易扩展，可以构建大分子结构，从而改善荧光效率；
（2）可以通过键合技术将荧光子和发射子共价键合；
（3）在非发光条件下，荧光子和发射子可以相互转换，使其具有较高的稳定性和抗冲击性；
（4）聚合物可以提供大量的发射机会，从而有效提高荧光转发率；
（5）聚合物的结构可以制备微米结构，从而改变荧光效率；
（6）聚合物可以用于复合材料，从而改变它们的物理性能，如
热稳定性等；
（7）聚合物可以通过设计及合成不同的高分子结构，从而满足不同的应用要求。
3、应用领域
共轭荧光聚合物在生物医学分子检测、光电子器件、复合材料及有机发光二极管等领域有广泛的应用。
例如，它可以用作生物成像系统的荧光探针，可以用作电子结构的有机发光二极管；还可以用作复合材料的热稳定度提高材料等等。
总之，共轭荧光聚合物是高分子材料中的一种新型材料，在光电子领域具有广泛的应用前景，为我们的科技进步，提供了极大的可能性。
共轭聚合物光电材料设计概论
材料化学专业科研训练题目:共轭聚合物光电材料设计班级:材化12-3姓名:丁泽指导教师:杨照地哈尔滨理工大学化学与环境工程学院2014年12月31日摘要共轭聚合物是由大量重复基元通过化学键连接的一维体系，具有独特的光、电、电化学等性质，由于共轭聚合物结构( 链段、构象、聚集态) 的复杂性，即使在非常精细的合成条件下，少量结构缺陷的形成也是难免的，本文在前人的基础上设计了在PPV共轭聚合物主链及侧链上添加各种基团或原子后的改性情况。
共轭聚合物，特别在其固态状态下激发能量能够有效传递，使得少量缺陷的影响被放大，对其光电性质产生巨大影响。
因此对共轭聚合物结构缺陷的研究，包括缺陷成因与控制、缺陷密度的分析、缺陷的分子结构与电子结构特征等，对于高品质材料的研发具有重要的意义。
关键词共轭聚合物，PPV，光电材料，合成改性，修饰改性目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 共轭聚合物概述 (1)1.1.1 共轭聚合物的分类 (4)第2章PPV类共轭聚合物 (5)2.1 PPV类共轭聚合物简介 (5)2.2 共轭聚合物的缺陷 (6)2.2.1 PPV 的四面体缺陷 (8)2.2.2 PPV的氧化缺陷 (9)2.2.3 顺式缺陷 (10)第3章PPV共轭聚合物的改性研究 (13)3.1 PPV类聚合物的结构修饰 (13)3.1.1 侧链修饰 (14)3.1.2 主链修饰 (18)总结 (20)参考文献 (21)第1章绪论1.1共轭聚合物概述随着社会的发展，显示技术目前已经成为无论是信息化还是人们日常生活都离不开的高科技领域。
阴极射线管(CRT)、液晶显示(LCD)、无机LED、等离子体显示(PDP)和荧光管显示(VFD)等显示技术都在不断的被改进和完善，以适应社会和市场的要求。
CRT显象管技术是目前历史最悠久、技术最成熟、市场份额最大的一项显示技术，但是由于它体积大、电压高、功耗大、质量大以及难于制备出大面积显示器，所以越来越不能满足显示领域的要求。
共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战
第47卷第4期燕山大学学报Vol.47No.42023年7月Journal of Yanshan UniversityJuly 2023㊀㊀文章编号:1007-791X (2023)04-0307-12共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战赵㊀锐,张森林,屈年瑞,谷建民∗,王德松(燕山大学河北省应用化学重点实验室,河北秦皇岛066004)㊀㊀收稿日期:2023-03-27㊀㊀责任编辑:王建青基金项目:国家自然科学基金资助项目(22278349)㊀㊀作者简介:赵锐(1999-),女,黑龙江大庆人,硕士研究生,主要研究方向为纳米光子学;∗通信作者:谷建民(1984-),男,吉林乾安人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为纳米光子学,Email:jmgu@㊂摘㊀要:通过半导体催化剂将光能转化为化学能是太阳能转化利用的重要方式之一㊂然而,传统的无机半导体材料其带隙较宽,大部分仅对紫外光有响应㊂与无机半导体相比,共轭聚合物半导体不仅具有较宽的可见光(占据了太阳光谱的主要能量)吸收范围和较高的吸光系数,而且易于进行分子设计和调控㊂本文首先综述了共轭聚合物材料的种类及其相应的优异特性;其次,对共轭聚合物材料被作为光催化剂用于废水净化㊁水裂解析氢和CO 2还原三方面的研究进行了总结;最后,对该类材料目前存在的一系列问题进行了探讨并提出了初步的解决方案㊂关键词:替代能源;共轭聚合物;光催化性能;光催化应用中图分类号:X937㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2023.04.0040 引言太阳被称为超级 能量仓库 ,可以不断地将太阳光照射到地球上,平均每小时到达地球表面的太阳能足以满足人类一整年的能源需求[1-2]㊂尽管太阳能具有价廉㊁丰富和清洁的优点,但由于其能量密度低㊁稳定性差和时区依赖性高等问题,很难被高效地投入应用㊂利用光催化的相关反应将清洁㊁可再生的太阳能转化成具有高能量化学能是一种有效的新能源获取方式㊂由于半导体较强的氧化还原能力,光催化技术已被广泛应用于污染废水的处理,是一种强有力的环境修复策略㊂此外,光催化裂解水生产清洁氢燃料有望缓解全球能源危机,整个过程可达到清洁㊁环保和可再生效果[3-9]㊂最后,合理运用光催化技术可以将CO 2(温室气体的主要组成成分)转化为增值化学品(一氧化碳㊁甲烷和甲醇等),创造巨大的经济效益,同时解决当前由于CO 2过量释放引起的能源短缺和环境问题[10-14]㊂到达地球表面接近一半的太阳光能量都是来自可见光(其范围约400~800nm),怎样高效地利用可见光成为了光催化领域研究的最大挑战㊂无机半导体光催化材料能够利用光能催化分解水和空气中的有机污染物,具有光催化活性高㊁稳定性好㊁价格相对较低等优点[15],成为光催化领域降解污染物中研究最为深入的一类光催化材料㊂然而,由于该类材料带隙较宽,只能吸收波长较短的紫外光,故使得其对太阳能的利用率较低,对有机污染物的降解速率慢,而且受激发后产生的光生电子和光生空穴又很容易复合,从而导致了其较低的光催化性能[6-7,15-16]㊂在对大量无机半导体光催化材料进一步研究中发现,大多数金属氧化物即使经过了设计㊁调控,依然难以有效地利用太阳光[17-18]㊂共轭聚合物半导体材料,可直接通过分子设计和控制聚集等策略对材料的相关属性进行改良,这是无机半导体材料无法比拟的㊂共轭聚合物材料现已应用于有机太阳能电池[19-20]㊁有机发光二极管[21]和光电化学器件[22]等308㊀燕山大学学报2023领域㊂然而,将共轭聚合物半导体作为光催化剂,将太阳能有效地转化为化学能仍然是目前研究的一大重点㊂本文基于共轭聚合物半导体光催化材料所体现出的突出优势,对其进行了详细的综述㊂进一步地,总结了该类材料在污染物光降解㊁光催化制氢㊁光催化CO2还原三个方面的光催化机理及应用㊂最后阐述了该材料在实际应用和研究中存在的挑战及相应的解决方案㊂1㊀共轭聚合物半导体材料1.1㊀共轭聚合物半导体材料的发展最早关于共轭聚合物光催化剂的报道可以追溯到20世纪80年代,日本科学家证明了聚对苯在紫外光下可以驱动析氢反应,在特定空穴牺牲剂的存在下产生微量的氢气[23-24]㊂2008年,河北科技大学王德松教授团队开创性地通过原位聚合法选用聚苯胺(PANI)对二氧化钛(TiO2)纳米颗粒进行改性,少量PANI引入可以有效增强TiO2纳米颗粒的分散性,提高了该复合材料在紫外光下的光催化活性[25];基于以上工作该团队在同年申请发明专利 具有可见光催化活性的AgBr/ PANI/TiO2纳米复合材料的制备方法 [26],将共轭聚合物材料聚焦于光催化领域,越来越多的科研人员基于王德松团队的工作展开了对共轭聚合物材料的研究㊂2009年,王心晨教授课题组发现非金属聚合物石墨相氮化碳在可见光和不同牺牲剂的条件下完成析氢反应和产氧反应㊂这一突破性发现引发了相关研究人员对氮化碳及其衍生聚合物替代金属氧化物作为光催化剂的大量关注[27]㊂2015年,D.J.Adams和A.I.Cooper等人制备得到光学带隙在1.94~2.95eV范围间的可调多孔有机聚合物,将该类材料应用于光催化水裂解析氢反应[28]㊂以上系列突破性的工作吸引了大量学者关于共轭聚合物用于光催化领域的应用研究㊂1.2㊀共轭聚合物基光催化剂1.2.1㊀石墨相氮化碳及其衍生物石墨相氮化碳(g-C3N4)材料因其良好的光催化活性和高效的可见光吸收而引起广泛关注㊂共轭层结构中碳和氮原子之间的强共价键,使其具有较高的化学和热稳定性[29-30]㊂石墨相氮化碳是由廉价的含氮前体,如双氰胺㊁氰胺㊁三聚氰胺㊁尿素和硫脲等聚合形成的[31-32]㊂g-C3N4中的碳氮原子通常是sp2杂化,结构单元通常是由三嗪环或七嗪环(如图1)组成的[15,20]㊂两个环用σ键连接,垂直于σ键的p轨道形成共轭大π键㊂Kroke等人通过密度泛函数理论得出以七嗪环为单元的g-C3N4结构更稳定[33]㊂π共轭体系的石墨相结构使得g-C3N4高效地传输光生载流子[34]㊂g-C3N4具备特殊的物化性质和一定的光催化活性,使得其被广泛应用于能源和环境领域中㊂图1㊀g-C3N4的结构示意图Fig.1㊀Structure diagram of g-C3N4然而,由于g-C3N4的高电子-空穴重组率㊁可见光吸收不足(仅限460nm以下)㊁低比表面积(10m2/g)等特点,使得其作为光催化剂面临着很大挑战[35]㊂现今已经有多种策略可以增强g-C3N4的光催化性能,主要包括掺杂㊁缺陷控制㊁尺寸与结构调整和异质结构建等[33,35-36],其中通过构建异质结的策略可有效提高g-C3N4半导体的光催化活性㊂Liu等人通过使用微波马弗炉加热均匀分散的二硫化锡(SnS2)纳米片和g-C3N4纳米片,得到了SnS2/g-C3N4异质结[37]㊂通过透射电镜(TEM)进一步观察g-C3N4和SnS2/g-C3N4的形貌㊂g-C3N4具有多个堆叠层的褶皱层结构(图2(a)),而SnS2为单层片状,由图2(b)中可清晰观察到SnS2/g-C3N4复合材料的微观结构㊂虚线为g-C3N4的边缘,虚线外为SnS2,说明SnS2纳米片能够被均匀地负载在g-C3N4纳米片的表面,形成有效的SnS2/g-C3N4异质结构㊂当SnS2沉积在g-C3N4纳米片表面时,H2生成速率约是纯g-C3N4的3倍,证实了异质结的形成可以促进g-C3N4中光电电子空穴分离,从而潜在地提高H2产率㊂第4期赵㊀锐等㊀共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战309㊀图2㊀样品g-C 3N 4和SnS 2/g-C 3N 4的TEM 图Fig.2㊀TEM image of g-C 3N 4and SnS 2/g-C 3N 4Katsumata 等人[38]通过简单的煅烧方法制备复合光催化剂WO 3/g-C 3N 4㊂三氧化钨(WO 3)负载量达到10%,WO 3/g-C 3N 4复合材料H 2生成速率达到110μmol㊃h -1㊃g -1(图3),约为纯g-C 3N 4的2倍,实现了g-C 3N 4基复合材料析氢速率的进一步提高㊂图3㊀g-C 3N 4和WO 3/g-C 3N 4的析氢效果Fig.3㊀Hydrogen evolution effect of g-C 3N 4and WO 3/g-C 3N 4基于g-C 3N 4材料优异的物化性质,Hua 等人将磷化亚铜(Cu 3P )纳米颗粒有效负载在了g-C 3N 4表面上,成功合成了Cu 3P /g-C 3N 4复合光催化剂[39],在可见光下(λ>420nm),该复合材料的光催化活性得到了大幅度提高(如图4)㊂Cu 3P是没有光催化活性的,但当仅质量分数为1.0%的Cu 3P 颗粒负载到g-C 3N 4纳米片后,其复合材料CC-1.0的光催化活性得到成倍的提高,析氢量达到808μmol㊃g -1㊃h -1,约为纯g-C 3N 4的75倍㊂接下来,当继续增大Cu 3P 的负载量后,复合材料的析氢量逐渐降低,这可能是由于g-C 3N 4表面多余的Cu 3P 对光吸收的屏蔽作用而导致的㊂光催化剂的稳定性是评定其光催化性能的一项主要的参数,因此该团队对Cu 3P /g-C 3N 4复合材料进行了进一步地稳定性测试㊂由图5所示,在连续循环4次后,Cu 3P /g-C 3N 4的光催化活性没有明显下降,表明Cu 3P /g-C 3N 4复合材料具有较好的光催化反应稳定性㊂图4㊀g-C 3N 4和Cu 3P /g-C 3N 4的析氢效果Fig.4㊀Hydrogen evolution effect of g-C 3N 4and Cu 3P /g-C 3N 4图5㊀Cu 3P /g-C 3N 4的稳定性测试Fig.5㊀Stability test of Cu 3P /g-C 3N 41.2.2㊀线性高分子早在1985年,线性高分子聚对苯首次应用于紫外光下的光解水产氢反应[23];该材料作为最早的线性高分子光催化剂且最早应用于光催化析氢反应㊂紧接着,研究证明了以双吡啶为结构单元的线性高分子可以有效实现光催化水裂解析氢反应[40]㊂近年来,共轭聚合物材料多被用作光催化剂㊂特别地,从线性结构的角度出发,聚苯胺310㊀燕山大学学报2023(PANI)具有共轭大π键体系,其中π或π∗键轨道可以形成电荷迁移复合物而产生电荷迁移,因此该种共轭聚合物具有良好的导电性和环境稳定性,又基于其易制备的特点使得PANI 聚合物受到众多科研人员的大力关注[41]㊂无机半导体/聚苯胺纳米复合材料在光催化领域广受关注㊂王等人[25]首次通过原位聚合法合成了TiO 2/PANI 复合材料,即先通过化学氧化法将在TiO 2纳米颗粒表面将苯胺(ANI)原位聚合生成聚苯胺(PANI ),得到TiO 2/PANI 纳米复合材料㊂一般纳米TiO 2的表面能较高,其颗粒间易聚集,导致该材料较低的比表面积和活性位点,这限制了其在许多领域的应用㊂但经过线性共轭聚合物PANI 改性后的TiO 2纳米颗粒相比于TiO 2纳米颗粒的团聚效应有了明显的缓解(图6)㊂这表明PANI 能够有效抑制TiO 2纳米颗粒的聚集,对提高纳米材料分散性和复合材料光催化性的相关工作有重要借鉴意义㊂图6㊀TiO 2和TiO 2/PANI 的TEM 图Fig.6㊀TEM image of TiO 2and TiO 2/PANI特别地,除了微观形貌上的变化,经过PANI改性后得到的TiO 2/PANI 复合光催化剂对光的吸收能力得到了显著的提高㊂如图7的紫外-可见漫反射光谱所示,TiO 2纳米颗粒只能吸收紫外光(λ<400nm),而PANI 较强的光吸收能力,导致其复合材料TiO 2/PANI 样品的光吸收强度得到提高的同时,其对太阳光的吸收范围也大幅拓宽至近红外光区(λ>760nm)㊂基于以上工作的启发,R.Sasikala 等人先采用沉淀法得到硫化镉(CdS),再使用原位复合法制备了MoS 2-PANI-CdS 三元复合材料[42]㊂该复合材料在可见光区域能表现出良好的光催化性能,它的析氢速率可以达到0.57mmol㊃h -1㊃g -1,并具有良好的循环稳定性(图8),进一步拓宽了无机半导体/聚苯胺纳米复合材料在光催化领域的应用㊂图7㊀TiO 2和TiO 2/PANI 的紫外-可见漫反射光谱Fig.7㊀UV-vis diffuse reflectance spectra ofTiO 2and TiO 2/PANI图8㊀MoS 2-PANI-CdS 的稳定性测试Fig.8㊀Stability test of MoS 2-PANI-CdS1.2.3㊀有机共轭骨架材料根据化学组成㊁组成单元的共轭程度㊁是否呈多孔结构和结晶度,可以将聚合物网络光催化剂分为共轭微孔聚合物㊁共价三嗪基骨架和共价有机骨架(COFs)等[43]㊂2015年,D.J.Adams 和A.I.Cooper 等人通过调节共聚物的组成,采用Suzuki-Miyaura 偶联反应合成了带隙连续可调的聚合物半导体材料,将共轭微孔聚合物用作光催化剂,应用于可见光下的光催化裂解水的析氢反应[44]㊂自此,共轭微孔聚合物得到了大家的持续关注,一些各具特点的共轭微孔聚合物催化剂相继被开发㊂共价三嗪骨架是以三嗪单元为基础结构,与其他单元结构交叉共轭形成的一种高含氮量㊁化学结构稳定的多孔材料[45]㊂不同于热解获得的氮第4期赵㊀锐等㊀共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战311㊀化碳材料,共价三嗪骨架既可以通过高温熔盐法制备,也可以通过低温下的偶联反应获得[46]㊂合成方法对于共价三嗪骨架作为光催化剂的活性有着重要影响[47]㊂共价有机骨架(COFs)材料是由有机结构单元通过共价键形成的新型高分子材料,COFs 是基于共价键有序连接的一类晶态高分子材料,具有规则的孔道结构㊁稳定的骨架结构㊁较高的比表面积㊁较高的孔隙率以及易于被功能化修饰等优异的特点,现已成为功能有机材料化学的研究热点之一㊂2014年,B.V.Lotsch 课题组开发出以腙(hydrazone)为单元的共价有机骨架光催化剂,实现光解水析氢反应[48]㊂图9为一系列B.V.Lotsch 团队制备得到的二维(2D)氮联COF(N x -COF)(x 表示为其含有的N 原子数量)随时间变化的析氢性能结果,N 0-COF㊁N 1-COF㊁N 2-COF㊁N 3-COF 的析氢速率依次为23㊁90㊁438㊁1703μmol㊃h -1㊃g -1(插图为N x -COF结构图)㊂随着N 原子数量的增加,N x -COF 的结晶体提高,电子结构得到逐步优化,光生载流子的分离能力变强,进而导致其材料的光催化活性得到逐渐增强㊂基于COFs 共轭聚合物材料优异的结构特点和制备优势,这些年来,各种各样的COFs 材料在光催化方面的应用获得了快速的发展㊂图9㊀N x -COF 的析氢效果Fig.9㊀Hydrogen evolution effect of N x -COF2㊀聚合物基材料在光催化领域中的应用2.1㊀光催化降解污染物2.1.1㊀降解机理由于直接或间接的污染物释放,在许多水生生物中检测到了难降解的有机污染物(POPs),其浓度因污染源而异,给地球的水资源和环境带来了许多不可逆的破坏[15]㊂传统的废水处理工艺无法完全去除持久性有机污染,需要先进的技术来解决这一问题㊂利用半导体光催化技术可以清洁且高效地解决以上的科学问题,因此,光催化降解水中有机污染物是半导体光催化材料在水污染处理方面的一个重要应用㊂染料分子可以吸收可见光成为激发态,处于激发态的染料分子的氧化还原电势通常低于相应的基态电势(表1)㊂电子从激发态的染料分子转移至半导体的导带上,导带上的电子和水中的氧气结合,将生成超氧自由基,生成的超氧自由基进一步反应可得到羟基自由基[49-50],这些具有强氧化性的自由基团可以将污染物氧化成无污染的物质,如CO 2㊁水和一些中间体小分子㊂表1㊀不同染料在激发态下的还原电位Tab.1㊀Reduction potentials of different dyes in excited states染料E 0/V vs.NHE茜素红-1.57荧光素乙酯-1.33伊红-1.11罗丹明B -1.09亚甲基蓝0.53甲基橙0.722.1.2㊀有机染料的降解由于罗丹明B㊁甲基橙㊁亚甲基蓝(MB)等常见的有机染料都含有苯环结构,可以与有机共轭聚合物光催化材料发生π-π共轭,从而增强其对有机染料分子的吸附性能,使得光生电子-空穴以更高效的速率分离与迁移,可以显著提高光催化剂的光降解活性[51-53]㊂Li 等人通过一步水热法制备二氧化钛-氧化石墨烯(P25-GR)纳米复合光催化剂,氧化石墨烯(GR)和二氧化钛(P25)通过化学键紧密相连接[54]㊂因石墨烯中含有苯环结构,它可以与MB 分子发生π-π共轭作用,使得MB 能够被大量吸附并迁移至二氧化钛表面㊂在可见光照射下,二氧化钛-碳纳米管(P25-CNTs)降解染料的效率优于P25,但其整体光催化活性仍较低㊂基于GR 优异的吸附性能,相比于CNTs 而言,制备得到的P25-GR 的吸附性能得到312㊀燕山大学学报2023明显的优化,因此,基于吸附和超氧自由基的强氧化性的协同作用,图10所示P25-GR 复合光催化剂光催化降解MB 的效率约是P25的5倍,光催化性能有了显著提高㊂图10㊀光催化剂的降解性能Fig.10㊀Degradation properties of photocatalysts2.2㊀光催化析氢氢气是重要的能源载体之一,基于该物质具有清洁㊁环保和高效的特性,近年来,研究人员致力将氢能转化为各种可再生能源,应用于零排放汽车㊁加热源和燃料电池等[55]㊂自Fujishima 和Honda 在1972年首次使用TiO 2光电极实现光催化水裂解制氢以来[56],光催化水裂解析氢策略成为目前发展的一类极具应用前景的制氢技术㊂2.2.1㊀析氢原理到目前为止,研究人员尝试了各种类型的半导体材料用于光催化制氢,如金属有机骨架材料㊁金属氧化物(TiO 2㊁Cu 2O 和BiVO 4等)㊁金属硫化物(SnS 2㊁MoS 2和Znln 2S 4等)和g-C 3N 4及其衍生物等[57]㊂然而,这些材料存在带隙宽㊁有毒㊁不稳定和制备成本高等一系列缺点而难以投入到光催化领域的实际应用中去㊂共轭聚合物光催化剂具有较高的比表面积㊁较多的活性位点和制备条件温和等特点,能够有效分离光生载流子[58],具有较高的光催化性能㊂光催化裂解水制氢的机理反应分为3个阶段(图11):1)聚合物基复合材料会吸收来自紫外线/阳光的光能,促进电子/空穴传导,其中以光的形式接收到的能量必须大于或等于半导体材料的带隙能量[11,59-60];2)光生电子由聚合物半导体的价带(VB)被激发到导带(CB),此时质子被导带上的电子还原生成H 2(式1);3)留在价带上的空穴通过水分子的光氧化过程生成O 2(式2)㊂4H ++4e -ң2H 2(1)2H 2O +4h +ң4H ++O 2(2)图11㊀负载产氢和产氧共催化剂的半导体光催化剂上的水分解机理示意图Fig.11㊀Schematic illustration of water splitting mechanismover a semiconductor photocatalyst loaded with hydrogen andoxygen generation co-catalysts2.2.2㊀析氢应用Jiang 等人[61]制备了一种新型给-受体结构的共轭微孔聚合物光催化剂(图12),该团队使用四苯基乙烯或二苯并[G,P ]稠二萘作为电子给体,所制备的共轭微孔聚合物光催化剂(TPE-BTDO 和DBC-BTDO)均含有二苯并(-[B,D]-b,d)噻吩-S,S -二氧化物㊂与扭曲空间结构的四苯基乙烯相比,基于二苯并[G,P ]稠二萘的π共轭平面分子结构,DBC-BTDO 更有利于光生电荷传输和光生电子-空穴对的分离,因此聚合物DBC-BTDO 光催化剂在无助催化剂的情况下可见光析氢速率高于TPE-BTDO,且经过10次循环析氢实验,持续20h 后其析氢活性仍未有明显下降㊂图12㊀两种聚合物的合成路线和概念结构Fig.12㊀The synthetic routes for the two polymersand the notional structures2.3㊀光催化还原CO 2多年来,化石燃料的大量消耗导致大气中的第4期赵㊀锐等㊀共轭聚合物材料在光催化领域的研究进展与潜在挑战313㊀CO2水平上升,这造成了严重的环境和安全问题[62]㊂利用太阳能,将CO2转化为碳燃料的这项光催化技术可以在减轻温室效应的同时突破能源短缺窘境[63]㊂然而,CO2是一个非常稳定的线性分子,活化能达到728kJ/mol(2000ħ时仅有1.8%被分解),这使得CO2的转化非常具有挑战性㊂在典型的CO2光还原过程中,光催化剂对CO2的吸附和活化是其能够被高效转化的前提[64],且光催化剂的氧化还原电位必须足以驱动反应[65]㊂2.3.1㊀CO2还原机理表2(pH=7)可以看出在水的体系中CO2的相关还原反应,由于还原电位为-1.85V(相对于一般氢标电势,NHE)仅通过单电子转移产生CO2㊃-是不可行的㊂系列还原反应生成甲酸㊁一氧化碳㊁甲醛㊁甲醇和甲烷所需的还原电位分别为0.61㊁0.53㊁0.48㊁0.38和0.24V,而在CO2光还原过程中,水还原生成H2需要的理论电势为-0.42V,与CO2还原反应为竞争关系㊂因此,根据所采取的反应途径和光生电子转移的数量, CO2光还原可能产生许多不同的产物,很难通过给定的光催化剂实现良好的选择性和高效率[63]㊂表2㊀CO2的还原电位与NHE的比较Tab.2㊀The reduction potentials versus NHE for CO2reduction 序号反应E0/V vs.NHE 1CO2+e-ңCO㊃-2-1.852CO2+2H++2e-ңHCOOH-0.613CO2+2H++2e-ңCO+H2O-0.534CO2+2H++4e-ңHCHO+H2O-0.485CO2+6H++6e-ңCH3OH+6H2O-0.386CO2+8H++8e-ңCH4+2H2O-0.24 72H++2e-ңH2-0.42 2.3.2㊀光催化CO2还原应用大多数应用于CO2还原的光催化剂是无机化合物,金属氧化物或硫化物,如TiO2㊁Cu2O和CdS 等[64,66],但在实际应用过程中,此类材料的光催化效率较低,产物的选择性不高且易造成二次的重金属污染㊂基于共轭聚合物优异的物化性质,该类有机聚合物半导体已被开始应用于非均相的液-固或气-固光催化还原CO2体系㊂一般地,在气-固体系中较为简单,水蒸气作为电子供体,光催化剂均匀地分散在反应器的底部,水蒸气和CO2首先通过物理或化学吸附的方式附着在共轭聚合物活性位点上,接着在光照下进行CO2还原反应㊂在实际应用过程中,为了开发更高CO2光还原性能的共轭聚合物材料,还需要考虑一些关键的影响因素,如聚合物的带隙㊁比表面积㊁CO2吸收能力㊁电子能带结构和光生电荷分离效率等,以获得更为优异的光催化活性和目标产物的选择性[67-68]㊂此外,外部环境和操作条件,如催化剂用量㊁溶液pH值㊁压力和温度等,也可能影响催化反应的活性与效率[69]㊂为了解决CO2在液-固体系中溶解性较差这一科学问题,Wang等人[70]通过将尿素和巴比妥酸(BA)共聚的策略成功合成了巴比妥酸改性的g-C3N4纳米片(CNU-BA),并通过X射线粉末衍射(XRD)技术对改性后的CNU-BA进行了晶体结构表征㊂如图13(a)所示,所有样品的XRD特征衍射峰均与CNU样品相似㊂有趣的是,随着BA添加量的增加,属于CNU(100)晶面的特征衍射峰减弱变宽(13.0ʎ),属于CNU(002)晶面的特征衍射峰强度明显减小(27.4ʎ),以上结果的产生可能是由于在CNU层状结构中插入BA对其石墨相结构的扰动造成的,且在最佳的BA用量下,CN-BA0.03复合材料生成CO和H2的速率均有显著的提高,分别为31.1μmol㊃g-1和4.89μmol㊃g-1㊂进一步地,基于以上对一系列含氮类聚合物前驱体改性的策略,Guo等人通过在酒石酸存在下使用双氰胺热聚合的策略制备了含有氮缺陷的g-C3N4纳米片(DCN-x,x表示酒石酸的质量(g))[71]㊂一般而言,缺陷的引入可以提高材料对可见光吸收和光生电荷转移的能力,因此,DCN-0.05的CO产量达到了284.7μmol㊃g-1,比原始g-C3N4(35.5μmol㊃g-1)的析出量高了近8倍(图13(b))㊂所以,可见光的吸收和光生电荷转移能力显著影响材料的光催化性能[72]㊂3㊀总结与展望在过去的几十年里,环境和能源危机严重威胁着人类社会的可持续发展,需要有效的策略来缓解这一现状㊂共轭聚合物光催化剂可作为一种314㊀燕山大学学报2023新兴光催化材料,近十年来,其在能源和环境领域的应用得到了进一步的优化和拓展㊂不仅如此,聚合物材料在电化学领域应用也较为广泛,聚合物材料用于电池领域,它可以有效地将电荷进行分离㊁储存,可作为可持续㊁环保的电池材料[73-75]㊂将聚合物材料作为正极材料进行实验,实验结果表明聚合物用作正极材料的电池能够表现出良好的电化学性能[76]㊂导电聚合物在构建电化学传感器方面具有潜在的应用前景,可用于相应的环境监测以及药物监测等领域[77-79]㊂聚合物材料对构建电化学传感器以及检测分析领域的研究发展起到了推动作用[80]㊂图13㊀石墨相氮化碳的改性Fig.13㊀Modification of g-C 3N 4本文综述了共轭聚合物光催化剂的显著特点及其在废水净化㊁水裂解和CO 2光还原等方面的研究进展㊂相比于传统的无机半导体光催化剂,共轭聚合物光催化剂的光催化性能更好[81],使用范围更广[82],能够有效地分解有机染料[83]㊁裂解水产氢[84]㊂但仍然存在着一些缺点和障碍,限制了共轭聚合物基材料作为光催化剂在光催化领域应用上大范围生产和使用㊂目前仍有待解决的问题及相应的解决策略可归纳为以下三个方面:1)共轭聚合物材料具有良好水分散性的纳米结构,具有降解能力㊂但共轭聚合物材料的催化活性较差,为了获得更好的催化活性,进一步的研究应致力于优化共轭聚合物的光物理性质,以提高对污染物的降解效率㊂2)共轭聚合物材料作为光催化剂在光催化析氢方向,其析氢速率远高于一般的金属基半导体光催化剂㊂然而,与传统过渡金属配合物相比,其应用的反应类型和底物范围仍然有限㊂因此,对于多相聚合物光催化剂,需要探索新的有机分子转化机理㊂3)迄今为止,用于光催化还原CO 2的共轭聚合物光催化剂较少,且该类材料的活性或稳定性相对较低㊂基于对CO 2减排的反应途径的不确定性和目标产物选择性的研究不够全面[74]㊂为了提高反应的催化活性,研究人员需要进一步地对该类材料在分子单元和聚集体单元结构上进行优化㊂由于共轭聚合物材料具有多种分子结构和易于调整的固有优势,开发用于各种光催化应用的共轭聚合物材料存在着无限的机会和挑战㊂随着科学的不断进步,预计共轭聚合物材料的关键创新将在光催化领域应用中发挥越来越重要的作用㊂参考文献1 BARBER J.Photosynthetic energy conversionnatural andartificial J .Chemical Society Reviews200938 1185-196.2 CARRILLO A J GONZALEZ-AFUILAR J ROMERO M et al.Solar energy on demanda review on high temperature.thermochemical heat storage systems and materials J .ChemicalReviews 2019 119 7 4777-4816.3 CHEN X SHEN S GUO Let al.Semiconductor-basedphotocatalytic hydrogen generation J .Chemical Reviews 2010110 11 6503-6570.4 HISATOMI T KUBOTA J DOMEN K.Recent advances insemiconductors for photocatalytic and photoelectrochemical water splitting J .Chemical Society Reviews 2014 43 227520-7535.5 WILLKOMM J ORCHARD K L REYNAL A et al.Dye-sensitised semiconductors modified with molecular catalysts for。
功能共轭聚合物的设计、合成及其性能的开题报告
功能共轭聚合物的设计、合成及其性能的开题报告题目：功能共轭聚合物的设计、合成及其性能摘要：随着科学技术和社会发展的不断推进，功能化材料的研究与应用备受关注。
功能共轭聚合物以其优良的电学、光学等特性而备受瞩目。
本文将探讨功能共轭聚合物的设计原则、合成方法以及物性表征等方面的研究。
通过对近年来的研究进展进行总结和分析，希望能够为功能共轭聚合物领域的研究提供一定的参考和借鉴。
关键词：功能共轭聚合物；设计；合成；性能一、引言共轭聚合物是一种具有良好导电、导热和光学性质的材料，其应用广泛涉及电子器件、光电器件等领域。
随着功能性材料的快速发展，功能性共轭聚合物成为一个备受关注的研究领域。
功能性共轭聚合物具有光电响应性、生物兼容性、溶解性等特性，这些特性使其被广泛应用于生物医学、能源存储和传输等领域。
二、功能共轭聚合物的设计原则功能共轭聚合物的设计可以通过三个方便进行：构建共轭结构、引入功能基团和设计拓扑结构。
首先，构建共轭结构是实现功能共轭聚合物的基础。
共轭结构的形成能够增加聚合物的π电子共轭特性，从而提高载流子的传输能力。
其次，在接入功能基团的过程中，诸如有机官氟、氨基、硫醇等基团可以为共轭聚合物注入特殊性质，如光学性质、电化学反应性等。
最后，设计拓扑结构可以通过构建不同的结构体系实现聚合物的性质调控，例如呈现结构开放或保持紧密排列，可以调控其光电性质或制备高分子胶体。
三、功能共轭聚合物的合成方法功能共轭聚合物的合成可以分为两种方法：（1）有机合成法和（2）共聚合成法。
有机合成法是通过单体的有机合成反应合成功能共轭聚合物，其中包括环化反应、金属催化反应、自由基聚合化反应等反应。
共聚合成法可以由两种或更多的单体反应合成共轭聚合物。
常用的共聚合成方法包括悬浮聚合和原子转移自由基聚合等。
四、功能共轭聚合物的性能研究功能共轭聚合物的性能研究可以从其结构、光电性质等方面进行。
支持可见-近红外吸收能力是许多聚合物电子器件应用中关键的特性，很多功能聚合物能够通过设计其分子结构来调控光电性质而实现高光电性，这可以通过光学研究得出结论。
共轭高分子材料的制备及应用
共轭高分子材料的制备及应用共轭高分子材料是一种在聚合过程中形成共轭体系的高分子材料。
由于其特殊的电学、光学以及导电性质，共轭高分子材料广泛应用于许多领域，如太阳能电池、有机场效应晶体管、有机发光器件等。
本文将讨论共轭高分子材料的制备方法和应用。
一、制备方法1. 共聚法共聚法是制备共轭高分子材料最常见的方法之一。
该方法通过将含有不同单体的反应物混合，在合适的反应条件下完成聚合反应来制备共轭高分子材料。
其中，常见的共轭单体有噻吩、吡咯、苯乙烯等。
共聚法制备的共轭高分子材料的性能受到聚合物的分子量、共轭单体的比例以及聚合反应的条件等因素的影响。
2. 化学还原法化学还原法利用还原剂将氧化的共轭高分子材料还原为导电的材料。
该方法需要在有机溶剂中将氧化的高分子材料和还原剂混合，并通过搅拌、超声波处理等方法来提高还原效率。
化学还原法的优点在于可以制备高电导率的共轭高分子材料，但缺点是还原剂可能会对聚合物的结构和性能产生影响。
3. 电化学合成法电化学合成法是一种通过电解液中的含有共轭单体的单层或多层膜来合成共轭高分子材料的方法。
在电解液中施加电压会引起共轭单体的聚合反应，通过控制电压和电解液的成分等因素可以制备不同性质的共轭高分子材料。
不同于传统的制备共轭高分子材料的方法，电化学合成法可以制备大面积和均匀的共轭高分子材料。
二、应用1. 太阳能电池共轭高分子材料可以作为太阳能电池的光电转换层。
太阳能电池的光电转换层需要能够吸收太阳光并将其转化为电能。
共轭高分子材料与无机半导体不同，其本身可以吸收太阳光，在光子的激发下，共轭高分子材料中的空穴和电子将分离形成带电的载流子，从而产生电流。
很多共轭高分子材料如聚合物噻吩、聚孔雀绿、聚苯和聚苯乙烯等都被用于太阳能电池的制备。
2. 有机场效应晶体管共轭高分子材料可以作为有机场效应晶体管的半导体材料。
有机场效应晶体管是一种基于有机半导体制造的电子器件，其中半导体材料的电导率是可以控制的。
共轭聚合物的合成与光电性能研究
共轭聚合物的合成与光电性能研究共轭聚合物（Conjugated Polymers）是一类重要的有机电子材料，由共轭键连接的重复单元组成。
它们因其优异的光电性能在有机光电子学、有机电子学和柔性电子学等领域具有广泛的应用前景。
本文将围绕共轭聚合物的合成及其光电性能进行深入研究。
一、共轭聚合物的合成方法共轭聚合物的合成方法多种多样，包括常见的聚合、重排、交联、自由基反应等。
以下就其中的两种常见合成方法进行介绍。
1. 聚合反应合成聚合反应是合成共轭聚合物常用的方法之一。
通过将含有活性单体的溶液加入到反应体系中，在引发剂的作用下，单体发生聚合反应，形成共轭聚合物。
该方法具有反应条件温和、反应时间短等优点。
例如，聚噻吩的合成可以通过将噻吩单体与硫酰氯反应得到。
2. 交联反应合成交联反应是另一种常用的共轭聚合物合成方法。
通过在含有双官能团单体的溶液中添加交联剂，进行交联反应，形成共轭聚合物。
交联反应不仅可以改变共轭聚合物的物理、化学性质，还可以提高其稳定性和机械性能。
例如，聚苯胺可以通过在苯胺单体中加入氧化剂进行氧化聚合反应，形成交联的聚苯胺。
二、共轭聚合物的光电性能研究共轭聚合物的光电性能对于其在光电子学领域的应用至关重要。
下面将从吸收光谱、发射光谱和载流子传输性能等方面对共轭聚合物的光电性能进行研究。
1. 吸收光谱共轭聚合物的吸收光谱是研究其光电性能的重要手段之一。
通过紫外可见吸收光谱可以了解聚合物分子的共轭程度和最大吸收波长。
吸收光谱的波长范围通常在200 nm到800 nm之间，不同波长的吸收峰对应着不同共轭聚合物的能带结构。
2. 发射光谱共轭聚合物的发射光谱可用于研究其荧光强度和荧光波长。
荧光强度与共轭聚合物的共轭程度、聚合度以及电子云的扩散程度有关。
发射光谱的波长范围通常在300 nm到900 nm之间。
3. 载流子传输性能共轭聚合物具有良好的载流子传输性能，这使得它们在有机电子学领域中成为理想的电子传输材料。
d-a型共轭聚合物材料的设计和合成及其在太阳能电池中的应用
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共轭聚合物的合成及光电性能研究
共轭聚合物的合成及光电性能研究共轭聚合物是一类具有特殊结构和性质的高分子材料，具有良好的电导性和光电转换性能，近年来备受研究者的关注。
本文将着重介绍共轭聚合物的合成方法以及其在光电器件中的应用。
一、共轭聚合物的合成方法共轭聚合物的合成方法多种多样，其中最常用的方法是通过类似于传统高分子聚合反应的方法进行合成，例如有机合成中的Michael加成反应、Stille反应以及Grignard反应等。
这些合成方法具有简单、高效的特点，能够在较短时间内制备出高分子量的共轭聚合物。
另外，还有一些特殊的合成方法被用于制备具有特殊结构和性质的共轭聚合物。
例如，通过采用共价键连接的方法，可以将不同的单体单元连接在一起形成具有复杂结构的共轭聚合物。
此外，还可以利用自组装技术制备具有特殊形貌和功能的共轭聚合物。
二、共轭聚合物的光电转换性能共轭聚合物具有优异的光电转换性能，主要体现在光电导和光电转换两个方面。
在光电导方面，共轭聚合物的π电子共轭结构赋予其良好的电导性能。
通过合理调控共轭聚合物的化学结构，可以使其具有不同的电导率和导电类型。
例如，将共轭聚合物与电子受体或供体分子进行共价连接，可以改变其导电性能，并制备出具有高导电性能的共轭聚合物。
在光电转换方面，共轭聚合物的π电子共轭结构使其能够吸收和发射光线。
通过合适的共轭聚合物材料的设计和调控，可以制备出具有不同波长范围吸收和发射光线的材料。
这为共轭聚合物在光电器件中的应用提供了广阔的空间。
例如，共轭聚合物可以被用作有机太阳能电池材料，通过吸收光子并将其转化为电子，实现光电能的转换。
此外，共轭聚合物还可以用于有机光电器件、光电阻器件等领域。
三、共轭聚合物在光电器件中的应用共轭聚合物由于其良好的光电性能和可调性，被广泛应用于光电器件中。
1. 有机太阳能电池有机太阳能电池是一种基于共轭聚合物的光电器件，通过共轭聚合物材料的吸光和电荷传输来实现光电能的转换。
具有高效率的光吸收和电荷分离特性，可以用于制备柔性、轻薄、可弯曲的太阳能电池。
交叉结构共轭光电材料研究
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３ ８・
平顶 山学院学报
２１ ０ ２矩
图 ２ Ｄ ＢＴ Ｂ Ｈ Ｔ Ｓ 、Ｓ 、 Ｓ Ｐ分 子 结构
Ｄ Ｂ 良好 的溶 液 发 光 性 质 引起 了研 究 者 广泛 Ｓ 的关 注 ， 系列 的分 子 改 性研 究 得 到 了 开 展 ， 一 马於 光 等 ¨ 引利 用联苯 中心结构 的 引入 ， 筑 了 Ｔ Ｂ 构 Ｓ、
（０ｎ ／ ｌ，３ ｍ）ＬＦ Ａ 显示 基 于 Ｔ Ｂ的蓝 ３ ｍ）Ａｑ （０ｎ ／ ｉ／ １ Ｓ 光器 件 的最 大 电 流 效 率 为 １６ｃ／ 最 大 亮 度 为 ． ｄ Ａ， ２２６ｃ／ 基 于 Ｈ Ｔ １ ｄ ｍ ； Ｓ Ｐ的 器 件 显 示 出高 达 ３ ５ ．
Ｈ Ｔ （ ２ 等一系列化合物 ， ＳＰ 图 ） 成功地完成分子功 能的提升． Ｓ Ｔ Ｂ分 子是 由一个单 键连结 两个 Ｄ Ｂ Ｓ 分子 ， 在联苯间位大的取代基的存在 ， 使得分子呈 现扭曲的构象 ， 而联苯的共轭作用又使分子趋于平
与取代基都会影响其存在的分子构象 ， 因此可以通
过简单 的化学 取 代 基 的修 饰 达 到对 材 料 性 能 的调 节． 当联 苯结 构无 取 代 基 时 ， 分 子 构 型 由于 相 邻 其 的邻 位 氢原 子 的斥 力 作用 使其 构象 扭 曲 ， 而苯 环 的
共轭作用力使其构象平面化 ； 当联苯存在五元内环
有机半导体材料在光电领域 的研究 中有效地 改善 了无机材料的不足 ， 并且可以简单地通过化学 基团修饰达到对材料性能的调控 ， 其薄膜具有 良好
的加 工性 能 ， 因此 呈 现 出潜 在 的应 用 前 景 ． 机 共 有
生很 大 的影 响 ， 究者 通过 对联 苯 的改性 制备 了一 研 系 列化 合物 ， 在有 机 光 电 、 线 性 光 学 等研 究 领 域 非 表 现 出优 异 的性 能．
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材料化学专业科研训练题目:共轭聚合物光电材料设计班级:材化12-3姓名:丁泽指导教师:杨照地哈尔滨理工大学化学与环境工程学院2014年12月31日摘要共轭聚合物是由大量重复基元通过化学键连接的一维体系，具有独特的光、电、电化学等性质，由于共轭聚合物结构( 链段、构象、聚集态) 的复杂性，即使在非常精细的合成条件下，少量结构缺陷的形成也是难免的，本文在前人的基础上设计了在PPV共轭聚合物主链及侧链上添加各种基团或原子后的改性情况。
共轭聚合物，特别在其固态状态下激发能量能够有效传递，使得少量缺陷的影响被放大，对其光电性质产生巨大影响。
因此对共轭聚合物结构缺陷的研究，包括缺陷成因与控制、缺陷密度的分析、缺陷的分子结构与电子结构特征等，对于高品质材料的研发具有重要的意义。
关键词共轭聚合物，PPV，光电材料，合成改性，修饰改性目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 共轭聚合物概述 (1)1.1.1 共轭聚合物的分类 (4)第2章PPV类共轭聚合物 (5)2.1 PPV类共轭聚合物简介 (5)2.2 共轭聚合物的缺陷 (6)2.2.1 PPV 的四面体缺陷 (8)2.2.2 PPV的氧化缺陷 (9)2.2.3 顺式缺陷 (10)第3章PPV共轭聚合物的改性研究 (13)3.1 PPV类聚合物的结构修饰 (13)3.1.1 侧链修饰 (14)3.1.2 主链修饰 (18)总结 (20)参考文献 (21)第1章绪论1.1共轭聚合物概述随着社会的发展，显示技术目前已经成为无论是信息化还是人们日常生活都离不开的高科技领域。
阴极射线管(CRT)、液晶显示(LCD)、无机LED、等离子体显示(PDP)和荧光管显示(VFD)等显示技术都在不断的被改进和完善，以适应社会和市场的要求。
CRT显象管技术是目前历史最悠久、技术最成熟、市场份额最大的一项显示技术，但是由于它体积大、电压高、功耗大、质量大以及难于制备出大面积显示器，所以越来越不能满足显示领域的要求。
目前应用较为广泛的液晶显示器(LCD)具有技术成熟、体积小(平板化)、色彩艳、市场份额较大等优点，但是它的视角小、反应速度慢、难以制备大面积器件。
而且由于工作条件要求高、抗震性差、功耗较高，其分辨率的提高是以牺牲对比度为代价来实现的，因此具有很大的局限性。
等离子体显示技术是近年来发展起来的另一种平板显示技术，它具有体积小、视角大、技术较为成熟和易制备大尺寸显示器等特点，但是它的功耗大、电压高，难以制成高清晰的显示器，这决定了等离子体显示技术只能在大面积显示领域有发展前途。
无机薄膜电致发光作为新型平板显示技术，具有全固体化、体积小、抗震、分辨率高、视角大、寿命长、对工作环境的要求低、可制备各种尺寸的显示器件等特点，缺点是蓝色发光亮度低、难以实现彩色显示、器件制备工艺复杂、生产成品率低和成本高等。
有机薄膜电致发光(OLED)是近年来发展迅速并且具有巨大应用前景的新型平板显示技术，按材料的分子结构和化学性质可以分为有机小分子材有机小分子发光材料的优点是：材料易提纯、亮度高、发光效率高和易蒸镀成膜，缺点是热稳定性差且易结晶。
聚合物光电材料的优点是:具有良好的热稳定性、优异的成膜性和较好的机械强度，但材料合成复杂，提纯困难，难制成多层器件。
其中聚对苯撑乙烯撑PPV [poly(1,4-phenylenevinylene)]以分子结构易于修饰、合成路线多、发光效率高、热稳定性好而成为最有发展前途的一类发光聚合物。
概括起来，有机电致发光显示器具有以下优点；(1)可实现红、绿、蓝多色显示；(2)具有面光源共同的特点，亮度达200cd/m3；(3)不需要背光源，可使器件小型化；(4)驱动电压较低（直流10V左右），节省能源；(5)器件厚度薄，附加电路简单，可用于超小型便携式显示装置；(6)响应速度快，是液晶显示器(LCD)的1000倍；(7)器件的象元数为320个，显示精度超过液晶显示器的5倍；(8)可制作在柔软的衬底上，器件可弯曲、折叠。
PPV类高分子是典型的空穴传输型发光材料，空穴的传输速度远远大于电子。
PPV类共扼高分子的发光是分子从基态被能量激发到激发态，再由激发态回到基态产生的辐射跃迁过程。
由于聚合物具有偶数电子，基态时电子成对存在于各分子轨道，根据Pauli不相容原理，同一轨道上的两个电子自旋相反，所以分子中总的电子自旋为零(S)，这个分子所处的电子能态为单重态(2S+1=0)。
当分子中的一个电子吸收能量被激发时，通常它的自旋不变，则激发态是单重态；如果激发过程中电子发生自旋反转，则激发态为三重态（三重态的能量低于单重态）。
当分子在电场(或光能)激发下被激发到激发单重态(S)，经振动能级弛豫到最低激发单重态(S1)，最后最后产生Tl-So的电子跃迁，此时辐射出磷光。
由于PPV类共扼高分子的EL发光光谱和PL发光光谱极其相似，表明二者具有相同的激发态，即主要通过单重态激发而发出荧光。
[1]图1-1 PPV共扼高分子的辐射跃迁过程共轭聚合物是主链上有大离域π键的一类聚合物，其主链是由C-C单键和双键或三键交替连接而成。
在共扼聚合物中，离域兀键的存在使得聚合物从通常的绝缘体变为了半导体甚至是导体，形成长程的7L电子共扼体系，并通常具有荧光发光性质和导电性。
正是由于共轭聚合物的结构中存在着π电子共轭体系这样的特殊结构，因而具有许多优异的光电性能，如良好的非线性光学性质、半导体特性以及掺杂态的金属导电性等。
同时共轭聚合物还具备了聚合物所特有的良好加工性能和力学性能，可广泛应用于薄膜材料、太阳能转换材料、层压材料、特种胶粘剂、抗静电材料、导电材料以及涂料等领域。
近几十年来，共轭聚合物作为一种功能高分子材料受到了全世界科学家们的广泛关注。
各种各样的新型共轭聚合物被陆续设计和合成出来，这些新型的聚合物具有高的发光效率和电荷输送能力，被应用到与人们日常生活相关的各个领域。
共轭聚合物独特的电学和光学性能及其作为高分子材料的特点，决定了共轭聚合物广泛的应用前景，也推动了共轭聚合物材料突飞猛进的发展。
共轭聚合物一般可分为两大类：常规的共轭聚合物和共轭聚电解质。
常规的共轭聚合物按照主链结构进行划分主要有以下几种：聚乙炔(Polyaeetylene,PA)；聚噻吩(Polythiophene,PT)；聚吡咯(Polypyrrole,PPy)；聚苯胺(polyaniline,PANI)；聚苯撑(Polyparaphenylene,PPP)；聚苯撑乙烯撑(Polyphenylenevinylene,PPV)；聚苯乙炔(Polyphenyleneethynylene,PPE)；聚芴(Polynuorene,PF)等。
共轭聚电解质主要指的是在上述的常规共轭聚合物分子的主链上引入挂接离子基团的侧链。
包括阴离子聚电解质、阳离子聚电解质以及双离子型聚电解质等。
第2章PPV类共轭聚合物2.1PPV类共轭聚合物简介聚对苯乙烯撑[PPV,poly(para-phe-nylene vinylene)]是苯与乙炔的交替共聚物，1990年英国剑桥大学J.H.Burroughes等[2]首次报道了用PPV薄膜制备的黄绿色的发光器件，从此揭开了聚合物电致发光材料研究和器件制备的新篇章。
近十几年来，人们对PPV类聚合物进行了深入研究，通过合成设计可以得到各种结构的聚合物，实现蓝光到红光的发射，这对全彩色的聚合物电致发光器件(PLED)有重要的意义，因此PPV类的聚合物被认为是光电性、溶解加工性、应用性兼备的高分子品种。
目前对于PPV类聚合物的研究主要集中于以下两方面：利用各种取代基对PPV的侧链进行修饰；通过共聚的方法改变主链的结构。
PPV及其衍生物是目前研究最深入、最广泛的一类共轭高分子材料，也是最早应用于电致发光器件的一类材料，聚对苯撑乙烯(PPV)是一种由苯环和乙烯交替连接的具有大线性共轭结构的聚合物。
其重复单元由具有sp2杂化和π键的原子组成，PPV及其衍生物分子结构见图1-1所示[3]。
由于PPV本身的可改造性以及其能够形成高质量的薄膜，因而受到学界人士的亲睐，被认为是最具商业价值的聚合物半导体材料之一。
目前对PPV类衍生物的研究主要集中在以下几个方面：侧链修饰、主链修饰、以及与其它材料共混。
这些手段的主要目的是提高此类高分子材料的在有机溶剂中的溶解性，提高材料的荧光效率、电致发光(EL)及光致发光(PL)效率。
图1-1 (a)PPV的基本结构式；(b)、(c)PPV类衍生物的结构式近年来，人们对共轭聚合物的研究兴趣不断加强，研究内容和深度得到了很快的拓展。
PPV侧链可引入不同结构和长度的官能团，官能团的电子效应和共轭效应能够改变其能隙、光谱吸收特征及溶解性等性能。
进一步的研究已经表明：引入吸电子基或片段（如氟原子、氰基、硝基、杂环等）可以调节HOMO与LOMO能级，改善其电荷传输能力，调控发光颜色，提高发光效率,进而改善电致发光材料的性能。
2.2共轭聚合物的缺陷共轭聚合物具有独特的光、电、电化学等性质，已引起学术界和工业界的关注，过去的二十多年，对共轭聚合物的化学、物理、加工与应用进行了大量的研究，共轭聚合物的一些基本问题已经有了较深入的认识，共轭聚合物的具有本征半导体的特征，它们的电子结构、光及电学性质由共轭的骨架结构和侧链结构决定，可以通过化学的方法方便地调控。
共轭聚合物的溶液涂覆成膜工艺适合大面积薄膜生长、喷墨打印技术的利用实现了图案化的薄膜生长，半导体共轭聚合物在传统无机半导体器件显示应用潜力，这包括：发光二极管、固体光泵浦激光、光伏电池、图象传感、场效应晶体管等，它们独特的性质向人们展示了塑料电子学的应用前景，我国的共轭聚合物研究从20世纪70年代开始，与国际上研究同步开展，取得了一系列重要的进展和创新成果，形成了几个有特色的研究基地，具备要加强基础研究和对材料本质规律认识的研究，以发光共轭聚合物为例，国内的材料水平与国外特别是国外的化学公司比较，仍存在一定的差距，主要是在稳定性方面，当今聚合物发光二极管( PLED)已进入产业化的前夜，能否开发出具有自主知识产权、实用化、高稳定的材料是对我国科技界的一个考验。
共轭聚合物是由大量重复基元通过化学键连接的一维体系，即使在非常精细的合成条件下，少量的结构缺陷也是难免的，这些结构缺陷，可能作为电子或空穴的势阱影响材料的载流子迁移性质：也可能作为激发能量的捕获中心影响材料的发光性质：更重要的影响，缺陷可能是聚合物降解的诱导中心，影响材料的长期稳定性，而且由于不同有效共轭长度之间的能量传递，少量的缺陷在共轭聚合物中可能被放大很多倍，这一现象在薄膜中更加突出，因此对共轭聚合物结构缺陷的研究，包括缺陷成因与控制、缺陷密度的分析方法、缺陷的分子结构与电子结构特征等，对于高品质材料的研发具有重要的意义。