基于电致变色聚合物的多功能材料研发

摘要

电致变色(Electrochromism，EC)是指材料的光学性质（透过率，吸收率和反射率等）在外加电场的作用下进行稳定可逆地变化，即随着材料的掺杂和去掺杂，外在表现为材料颜色或者透明度的明显变化。这种电响应的优异性质使其在智能窗，防眩后视镜，静态显示器等领域越来越受到研究者们的青睐。而其中，聚合物电致变色材料（共轭聚合物）以其独特的优势，诸如着色效率高，响应时间快，制备方便，可通过分子结构调节达到多彩颜色等，逐步由实验室小剂量制备走向商业化，进入人们的日常生活。
　　现阶段，很多研究者不仅着眼于材料的电致变色性能，而且也非常重视电致变色性能与其它特殊性能的结合，以期于更广泛的利用材料的优异性质，例如将光致发光，电致发光，超级电容器，自供能等概念引入到电致变色材料中来，拓展了电致变色材料的应用领域。因此，本文围绕聚噻吩类电致变色聚合物，通过改变聚合物的主链和侧链结构或者与其他材料诸如量子点等形成新型复合物，得到能够同时实现多功能化的电致变色材料，本论文系统地介绍了此类聚噻吩类材料的合成，表征以及基于此类材料的器件组装，探究材料结构与性能之间的相关规律，主要分为以下五个部分:
　　第一部分工作中，我们合成了一系列新型的含三氟甲基侧链的可溶液操作电致变色聚合物。这些聚合物材料在常见的有机溶剂中具有良好的溶解性。另外，在外界电压驱动下，P1-P3能够从着色状态切换到浅的透明掺杂状态，且他们的电致变色响应数据和疏水性能与P4这类含传统长烷氧基侧链的的聚合物相当，并且还具有更优秀的热稳定性。
　　第二部分工作中，我们设计了一类新型的复合硒化镉量子点-聚合物材料，其可以同时实现三种功能:电致变色，电致荧光变色和光诱导着色效应。集合了量子点和共轭聚合物的优点，构筑的复合薄膜展现出优异的电致变色性能，氧化和还原电压分别为0.35V和0.1V，可见光区域的最大透过率差值为50％且响应时间在1.2s之内。另外，复合薄膜能够在荧光状态和非荧光状态之间切换，其荧光强度是单纯聚合物的近乎两倍。材料在光辐射下能够逐渐从褪色状态自着色到紫色。
　　第三部分工作中，我们设计和合成了一系列新型的导电共轭黄色-透明电致变色和电致荧光聚合物来研究材料的结构-性能相互关系。源于不同侧链的微弱空间位阻效应，在还原电位下，所合成的聚合物表现出相似的黄色且能够在紫外光激发下发射精确可调控的荧光颜色，当施加反向氧化电压时，聚合物薄膜可以可逆地切换到近乎透明和非荧光的状态。我们也组装了同时包含四种聚合物的器件来研究材料的电致变色和电致荧光功能在实践中的应用，这表明此类聚合物拥有成为电功能材料的巨大潜力。
　　第四部分工作中，我们利用联苯在聚噻吩骨架上形成扭转构象设计了一种新型聚合物，实现了电致变色和电致荧光变色双功能的同步切换。该聚合物可以在溶液和固体两种状态下发出强烈的荧光，同时保持优异的电致变色性能。随着施加的外界电位，喷涂的聚合物薄膜可以从黄色（荧光状态）切换到透明状态（非荧光状态）。此外，组装的含有该聚合物的器件还可以同时实现可逆电致变色和电致荧光变色功能切换，器件的最大透过率变化为35％。
　　第五部分工作中，我们设计并合成了一类带有三苯胺或吩噻嗪基团侧链的电致变色共轭聚合物，可以实现外加电位下还原和氧化状态下的颜色控制。通过引入侧链阳极电致变色基团，聚合物可以在氧化态达到灰蓝色或深紫色。电致变色聚合物的还原颜色也可以通过调节聚合物主链结构来控制。因此，所获得的聚合物可以实现两种设计颜色之间的切换。所有这些聚合物都可以显示较为客观的透过率变化和适中的响应时间，它可以系统地提供一种设计新型电致变色聚合物材料的有效思路。此外，以三苯胺基团作为光吸收转化剂的聚合物可以进一步实现光诱导着色效果。因此，这些聚合物还可以拓宽电致变色聚合物节能材料的应用范围。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 电致变色定义

1．2 电致变色材料分类

1．2．1 无机金属氧化物材料

1．2．2 有机小分子材料

1．2．3 共轭聚合物电致变色材料

1．3 电致变色器件

1．4 电致变色性能测试

1．4．1 对比度

1．4．2 着色效率

1．4．3 色度分析

1．4．4 响应时间和循环稳定性

1．5 电致变色材料的应用

参考文献

第2章 可溶液操作三氟甲基接枝聚噻吩类电致变色聚合物

2．1 引言

2．2 实验材料及方法

2．2．1 实验材料和设备

2．2．2 聚合物合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 表征

2．3．2 溶解性

2．3．3 热稳定性

2．3．4 光学性能

2．3．5 电化学性能

2．3．6 密度泛函理论计算

2．3．7 光谱电化学

2．3．8 电致变色性能

2．3．9 接触角测试

2．4 结论

参考文献

第3章 多功能硒化镉量子点-聚合物复合薄膜

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂和仪器

3．2．2 复合薄膜的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 表征

3．3．2 光学性质

3．3．3 形貌

3．3．4 电化学性质

3．3．5 光谱电化学

3．3．6 电致变色性能

3．3．7 电致荧光性能

3．3．8 光诱导着色现象和分析

3．4 结论

参考文献

第4章 黄色至透明电致变色荧光可调聚合物材料

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料和设备

4．2．2 化合物的合成

4．2．3 器件组装

4．3 结果与讨论

4．3．1 光学性质

4．3．2 电化学性能

4．3．3 光谱电化学和电致变色

4．3．4 电致荧光变色性能

4．3．5 所组装器件的双功能效应

4．4 结论

参考文献

第5章 具有电致荧光效应的电致变色聚合物及其光电应用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂和仪器

5．2．2 聚合物的合成

5．3 结果与讨论

5．3．1 结构表征

5．3．2 光学性质

5．3．3 电化学性能

5．3．4 光谱电化学性能

5．3．5 电致荧光性能

5．3．6 双功能器件的组装

5．4 结论

参考文献

第6章 光诱导着色的双态颜色可控的电致变色聚合物

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 试剂和仪器

6．2．2 设计聚合物的合成

6．3 结果和讨论

6．3．1 分子结构与表征

6．3．2 光学性质

6．3．3 电化学性质

6．3．4 光谱电化学及其电致变色性能

6．3．5 光诱导着色

6．4 结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果