重慶大學孫寬團隊:規模化原位沉積聚噻吩薄膜

聚噻吩是一種具有共軛長鏈的導電高分子材料,具有導電性、環境穩定性、非線性光學性質等優異,可廣泛運用於太陽能電池、熱電器件、電致變色器件等。但由於聚噻吩在溶劑中溶解度極低,極大地限制瞭其成膜工藝的發展及在器件中的應用。

原位聚合聚噻吩薄膜是制備聚噻吩薄膜的一種重要方式,但由於噻吩單體氧化電位高(>1.65 V vs Ag/AgCl),合成聚噻吩薄膜的難度加大。目前原位合成噻吩薄膜常用的方法是電化學合成,通過施加足夠的電壓使得單體聚合得到聚噻吩薄膜。由於噻吩的聚合電位高於過氧化電位,產物往往含有過氧化的聚噻吩,降低薄膜品質。當往電解液中加入一些路易斯酸如三氟化硼乙醚可在一定程度上降低氧化電位,減少過氧化現象的發生,提升聚噻吩薄膜品質。但是電化學合成成本高昂,且需要導電基底,使得聚噻吩無法在工業生產中常用的不導電基底如玻璃和塑料表面原位聚合成薄膜,一方面限制瞭其在一些光電器件和柔性可穿戴設備的應用,另一方面不能進行大規模制備滿足工業生產的需要。

基於此,在李永舫院士的指導下,重慶大學孫寬研究員帶領的柔性可再生能源材料與器件(La FREMD)團隊把可兼容多種基底及大面積制備的連續液相聚合法(sequential solution polymerization, SSP)應用到聚噻吩的合成(圖1)。該方法采用溶於甲磺酸的V2O5作氧化劑,在基底表面先後沉積氧化劑溶液和單體溶液,快速聚合並得到聚噻吩薄膜。實驗證明向單體溶液中加入少量甲磺酸(0.2 vol%)能有效降低單體氧化電位,因此能在SSP過程中成功氧化聚合。合成的薄膜中噻吩單元為Cα-Cα連接,同時沒有過氧化的發生。使用溶劑清洗後,薄膜中的氧化劑和大多數甲磺酸被有效去除,得到磚紅色聚噻吩薄膜。磚紅色的聚噻吩薄膜為完全的中性狀態,濃硫酸處理-溶劑清洗和電化學氧化還原能對聚噻吩薄膜進行可逆的摻雜和去摻雜,並伴隨著可逆的藍-紅顏色變化(見演示視頻),表明SSP制備的聚噻吩在電致變色、化學變色等領域具有較大的應用潛力。

重慶大學孫寬團隊:規模化原位沉積聚噻吩薄膜
圖1 連續液相聚合法原位沉積聚噻吩薄膜的過程及摻雜/去摻雜

該成果以《連續液相聚合原位制備非取代聚噻吩薄膜及其化學/電致變色應用》(Unsubstituted Polythiophene Film Deposited via In-situ Sequential Solution Polymerization for Chemo-/Electrochromism)為題發表在自然指數期刊《Macromolecules》上。重慶大學的孫寬研究員為通訊作者,博士生陳瑞、陳珊珊博士和周永利為共同第一作者,本科生韋洲崟和汪海燕參與瞭該研究項目。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00297

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