咔唑类导电聚合物的合成、表征及其电致变色性能研究

摘要

导电聚合物因其独特的光电性能而成为非常具有发展前景的材料。其中咔唑类导电聚合物以其容易形成稳定的极子,拥有高电荷迁移率,电致变色特性和光化学稳定性等各种有利的特性不断吸引着人们的研究热情。它在电致变色器件,空穴传输层,静电复印,微腔光导,以及光伏元件等方面具有广泛的应用。咔唑类聚合物作为非常重要的电致变色聚合物,具有突出的导电性和好的氧化还原性,在可见近红外区具有高的光学对比度和快的响应时间。更重要的是咔唑类化合物易于在其刚性的咔唑环上引入多种功能基,从而改变导电聚合物的结构,得到具有不同电致变色特性的聚合物。
　　本论文先对单体分子结构进行设计合成,然后通过电化学方法进行聚合,得到具有独特性质的咔唑类新型电致变色材料。对电致变色材料进行表征和研究其在电致变色器件方面的应用。
　　1.通过Ullmann反应成功的合成了包含苯与咔唑单元的1,3-二(9-H咔唑)(BCB)单体,并对该单体进行电化学聚合得到一种中性态无色的聚合物聚1,3-二(9-H咔唑)(PBCB)。对聚合物的表征可知PBCB具有快的响应时间,高的光学对比度(60.98％)和合理的透明度,聚合物膜的颜色由透明的无色到黄绿色最后到绿色。用PBCB和PEDOT制作了三明治型电致变色器件,该器件具有高的光学对比度和快的响应时间。此外,该器件的中性态显示透明的蓝色,具有好的光学记忆稳定性和氧化还原稳定性。
　　2.一种具有给供电子基团的D-A型单体4,7-二(9-H咔唑)苯并噻二唑(CBTD)通过Ullmann反应进行合成。得到的聚合物以其特殊结构成功的对咔唑的光电性能进行了调节。研究了聚合物的不同掺杂方式(p-型掺杂和n-型掺杂)并计算了它的电化学禁带和光学禁带。聚合物膜在不同电压下显示多色(黄色,黄绿色,绿色,绿蓝色)。聚合物膜在420和800nm处的光学对比度分别是28.1%和49.9%。由该聚合物制作的器件具有高的光学对比度,快的响应时间和高的着色效率(1728cm2C–1)。
　　3.一种星型单体三(4-(3,4-亚乙烯基二氧噻吩)苯基)胺(TEPA)被成功的合成,电化学聚合得到一个具有多种颜色变化的聚合物PTEPA(黄绿色,绿色,蓝色,钢蓝色)。去掺杂的聚合物膜在紫外可见光谱中有两个吸收带分别在448和686nm处,且具有低的光学禁带(1.3eV)。对光学对比度和响应时间也进行了测量。值得关注的是由该聚合物制作的器件中性态显示绿色,并且有快的响应时间和好的稳定性。
　　4.不同取代位置的两种单体1,4-二(2-(3,4-亚乙烯基二氧噻吩))萘(M1)和2,6-二(2-(3,4-亚乙烯基二氧噻吩))萘(M2)被合成并进行电化学聚合。所得的聚合物P1和P2用循环伏安,紫外可见光谱法和扫描电镜等方法进行表征。这两个聚合物的电致变色性质被详细的研究,位置取代效应也被研究。研究结果表明取代位点影响修饰聚合物的有效共轭链长,这提供了一个有效地调节光谱性质和提高聚合物的电致变色性质。此外,我们还建构并表征了对应的聚合物与PEDOT组成的的双层电致变色器件。
　　5.一种新型的基于BTN与BT的共聚物通过电化学共聚被成功的合成。循环伏安、紫外-可见光谱、FT-IR光谱分析结果显示得到的聚合物是一种共聚物而不是相关的均聚物的混合物。根据光谱电化学分析,共聚物膜有显著的多重电致变色特性(五种颜色,黄色、浅绿色、绿色、蓝绿色和蓝色)。共聚物膜在750纳米处的最大光学对比度和响应时间分别为32.7%和0.59s。电致变色表征方法揭示了与BT共聚能够增强聚合物的电致变色特性,例如,光学对比度和响应时间。基于P(BTN-co-BT)和PEDOT的双重结构电致变色器件被制备,他的电致变色特性也被研究。研究结果显示,在780纳米处,光学对比度为24.2%,响应时间为0.32s。另外,器件还具有好的氧化还原稳定性。

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第一章 绪 论

1.1 电致变色导电聚合物简介

1.2 导电聚合物的电致变色性能表征参数

1.3 咔唑类导电聚合物在电致变色性能方面的研究现状

1.4 本课题研究的主要内容

1.5 本课题研究的主要创新点

第二章 中性态无色的聚1,3-二（9-H咔唑）苯的电化学合成与表征及其在电致变色器件中的应用

2.1 前言

2.2 实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 D-A型聚4,7-二（9-H咔唑）苯并噻二唑的电化学合成及其电致变色性质表征

3.1 前言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 含三苯胺的多色电致变色材料和它的中性态绿色的电致变色器件

4.1 前言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 亚乙烯基二氧噻吩取代的聚萘类活性材料的电致变色器件的应用

5.1 前言

5.2 实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 基于1,4-二(2-噻吩基)萘与联二噻吩的多色共聚物的电化学合成及其电致变色性能研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

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