苯并二噻吩基共轭聚合物及其复合材料的制备与热电性能研究

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热电材料是一种利用固体内部载流子运动来实现热能与电能之间相互转化的功能材料。有机聚合物热电材料由于具有易合成,易加工,资源丰富,价格低廉,热导率低等特点,逐渐被研究者们所关注。目前关于有机聚合物热电材料的研究主要集中在聚苯胺,聚吡咯,聚芴,聚噻吩及其衍生物上,一些新结构的聚合物很少被研究,关于聚合物结构与热电性能的关系的研究更是寥寥无几。基于以上问题,本论文以苯并二噻吩(BDT)单元作为基体,设计合成了一系列基于BDT单元的共轭聚合物,系统的研究了聚合物分子结构与热电性能的关系,并将其与单壁碳纳米管(SWCNT)复合获得了复合热电材料,研究了SWCNT含量对复合热电材料性能的影响规律。具体内容如下:1、设计合成了三种含不同共轭程度侧链的给体-受体(D-A)型基于BDT单元的共轭聚合物,研究发现侧链共轭程度最高的聚合物展现出了更好的热稳定性,较窄的光学带隙以及平面的分子构型,经过FeCl3掺杂后,其热电性能在三种聚合物中也是最优。该研究表明侧链共轭性的增强有助于提升BDT基D-A型共轭聚合物的热电性能。2、选择含共轭侧链的BDT单元分别与带烷基侧链和带极性侧链的噻吩并噻吩单元聚合,获得了两种共轭聚合物。研究发现与含烷基侧链的BDT基共轭聚合物相比,含极性侧链的共轭聚合物的热稳定稍微有所降低,且带隙有所拓宽,该聚合物与掺杂剂2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌(DDQ)和2,3,5,6-四氟-7,7’,8,8’-四氰二甲基对苯醌(F4TCNQ)表现出了更好的相容性,有利于载流子的迁移。分别用DDQ和F4TCNQ掺杂这两种聚合物,热电测试结果表明含极性侧链的BDT基共轭聚合物的最大功率因子分别是含烷基侧链的BDT基共轭聚合物的功率因子的5倍和2倍。该研究结果表明极性侧链的存在有助于BDT基共轭聚合物热电性能的提升。3、选择第一和第二部分研究内容中热电性能好且易制备的BDT基共轭聚合物与SWCNT复合获得BDT基共轭聚合物/SWCNT复合热电材料,通过研究发现聚合物与SWCNT之间存在强的π-π相互作用,室温下,该复合材料的电导率,赛贝克系数,和功率因子最高分别可达到529.3 S cm-1,68.1μV K-1和80.9μW m-1 K-2,当聚合物与SWCNT的质量比为1:10的时候,该复合材料展现出最优的热电性能,在95 oC时功率因子高达116.7μW m-1 K-2
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