《本征型导电高分子》教学课件

《本征型导电高分子》幻灯片本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！《本征型导电高分子》幻灯片本课件PPT仅供大家学习使本征型导电高分子材料高分子材料本身具有导电能力的被称为本征型导电高分子材料。本征型导电高分子材料内部不含其它导电性物质，完全由导电性高分子材料本身构成。由于其高分子本身具备传输电荷的能力，导电性能和支撑作用均由高分子本身承担，因此被称为构造型导电高分子材料。本征型导电高分子材料高分子材料本身具有导电能力的被称为本征型分类根据载流子的属性和导电形式划分为：电子导电高分子材料〔自由电子或空穴〕离子导电高分子材料〔正负离子〕氧化复原导电高分子材料〔氧化复原电子转移〕分类根据载流子的属性和导电形式划分为：4

导电高分子材料导电材料金属、合金导电高分子复合型本征型自由电子正负离子氧化还原电子转移载流子4导电高分子材料导电材料金属、合金导电高分子复合型本征型电子导电型聚合物导电过程需要载流子在电场作用下能够在聚合物内做定向迁移形成电流。内部具有定向迁移能力的自由电子或空穴是聚合物导电的关键。电子导电型聚合物导电过程需要载流子在电场作用下能够在聚合物内一、导电机理与构造特征有机分子中电子以以下四种形式存在:(1)内层电子：一般不参加化学反响。(2)s电子：键能较高，一般不易离域。称为定域电子。(3)n电子：孤立存在时没有离域性。(4)π电子：具有有限离域性,随着共轭程度的增加,离域性明显增加。一、导电机理与构造特征有机分子中电子以以下四种形式存在:当有机化合物中具有共轭构造时，π电子体系增大，电子的离域性增强，可移动范围扩大。共轭体系越大，离域性也越大。因此，当共轭构造足够大时，化合物即可提供自由电子。当有机化合物中具有共轭构造时，π电子体系增大，电子的离域性增一、导电机理与构造特征所有的电子导电型高分子材料的共同构造特征为分子内具有非常大的共轭π电子体系，具有跨键移动能力的π价电子成为这一类高分子材料的唯一载流子。例如聚乙炔，聚芳香烃和芳香杂环。一、导电机理与构造特征所有的电子导电型高分子材料的共同构造特部分电子导电聚合物的分子结构

部分电子导电聚合物的分子结构但是对于聚合物仅具有上述构造还不够，因为电子假设要在共轭π电子体系中自由移动，首先要抑制价带与导带之间的能级差。因此，这一能级差的大小决定了共轭性聚合物的导电能力的上下。但是对于聚合物仅具有上述构造还不够，因为电子假设要在共轭π电

每一CH自由基结构单元p电子轨道中只有一个电子。根据分子轨道理论，相领的两个自由基p电子形成以下的分子轨道。

以聚乙炔为例：每一CH自由基结构单元p电子轨道中只有分子共轭体系能级分裂示意图分子共轭体系能级分裂示意图减少能带分裂造成的能级差是提高共轭型聚合物导电的能力的主要途径。实现这一目标的手段之一就是用“掺杂〞法改变导带或价带中电子的占有情况，使其能级发生变化，从而减小能带差。减少能带分裂造成的能级差是提高共轭型聚合物导电的能力的主要途电子导电型聚合物导电所需条件：一是具有非常大的共轭π电子体系;二是导带与价带之间的能级差较小。电子导电型聚合物导电所需条件：一是具有非常大的共轭π电子体系二、电子导电型聚合物的性质1、掺杂对线型共轭聚合物进展掺杂常用的两种方式物质掺杂：参加第二种具有不同氧化态物质进展掺杂。非物质掺杂：通过聚合材料在电极外表进展电化学氧化或复原反响直接改变聚合物的荷电状态。二、电子导电型聚合物的性质1、掺杂在制备导电高分子材料时根据掺杂方法不同，分为p-型掺杂和n-型掺杂。p-型掺杂是在高分子材料的价带中除掉一个电子，使满轨道成为半充满的能量居中的亚能带，减少与空轨道间的能量差。常用氧化性掺杂剂有碘,溴等等。在制备导电高分子材料时根据掺杂方法不同，分为p-型掺杂和n-n-型掺杂是在高分子材料的导带中参加一个电子,使其呈半充满状态，分子轨道能量降低,从而减少能级差。常用萘基碱金属做为掺杂剂。n-型掺杂是在高分子材料的导带中参加一个电子,使其呈半充满经过掺杂，共轭性聚合物的导电性能往往会增加几个数量级，甚至10个数量级以上。经过掺杂，共轭性聚合物的导电性能往往会增加几个数量级，甚至1《本征型导电高分子》教学课件掺杂剂的使用量与聚合物电导率之间的相互关系电导率与掺杂剂量的关系掺杂剂的使用量与聚合物电导率之间的相互关系电导率与掺杂剂量2、温度与电子导电聚合物的关系与金属材料的特性不同，电子导电高分子材料的温度系数是负的，即随着温度的升高，电阻率减小，电导率增加。2、温度与电子导电聚合物的关系3、聚合物导电率与分子中共轭链长度之间的关系聚合物内的价电子更倾向于沿着线型共轭的分子内部移动，因此共轭链越长，越有利于自由电子沿着分子共轭链移动，电导率也就越大。3、聚合物导电率与分子中共轭链长度之间的关系三、电子导电聚合物的制备三、电子导电聚合物的制备1、直接法利用某些单体直接通过聚合反响生成具有线型共轭构造的高分子称为直接合成法。采用直接聚合法虽然比较简便，但是由于生成的聚合物溶解度差，在反响中多以沉淀的方式退出聚合反响，难以得到高分子量的聚合物。1、直接法2、间接法间接法合成是首先合成溶解和加工性能较好的共轭聚合物前驱体，然后利用消除等反响在聚合物主链上生成共轭构造。但是采用这种方法制成的聚合物电导率不高。2、间接法聚丙烯腈热解反响式为：聚丙烯腈热解反响式为：3、电化学聚合法这一方法采用电极电位作为聚合反响的引发和反响驱动力，在电极外表进展聚合反响并直接生成导电聚合物膜。反响完成后，生成的导电聚合物膜已经被反响时采用的电极电位所氧化〔复原〕，即同时完成了“掺杂〞过程。3、电化学聚合法机理机理聚吡咯的电化学聚合实例：用通式表示为：

聚吡咯的电化学聚合实例：用通式表示为：一般聚吡咯聚合阳极电压为0.6V~1.2V(相对于SCE)时产生单体和二聚体的自由基,以a为偶合.但是,不产生高聚物。保持在1.2V以上时生成的聚合体继续产生自由基,偶合,脱氢使高分子链继续增长.这证明反响的第二步是阳离子自由基之间的偶合反响,而不是阳离子自由基与单体的链增长反响.一般聚吡咯聚合阳极电压为0.6V~1.2V(相对于SC四、电子导电聚合物的性能与应用导电性能应用于电极材料及吸波材料等。电致变色性能应用于制备无视角限制的显示器件及智能窗的研究等。电致发光性能应用于电致发光器件。化学催化性能应用于分析化学、催化和化学敏感器的制作等方面。四、电子导电聚合物的性能与应用导电性能离子导电型高分子材料离子导电必须具备两个条件：首先是具有独立存在的正、负离子；其次是离子可以自由移动。离子导电的最大不同在于载流子，因离子体积较大，所以绝大局部离子导体是液体。某些固体材料也具有离子导电性，被称为固体电解质。包括离子导电高分子材料和无机固体导电材料。离子导电型高分子材料离子导电必须具备两个条件：首先是具有独立离子导电高分子材料离子导电高分子材料导电所需条件：具有将正负离子解离的溶剂化能力和允许体积较大的离子迁移的构造。离子导电高分子材料离子导电高分子材料导电所需条件：具有将正负固态离子导电机理主要包括：缺陷导电无扰亚晶格离子迁移导电非晶区扩散传导离子导电固态离子导电机理主要包括：非晶区传导离子导电高分子材料多是非晶态或不完全结晶物质，在非晶区呈现较大的塑形，由于链段的热运动，内部物质具有一定迁移性质，依据这种性质发生的离子导电过程被称为非晶区传导离子导电。非晶区传导离子导电高分子材料多是非晶态或不完全结晶物质，在非离子导电聚合物的自由体积导电理论在一定温度下聚合物分子要发生一定幅度的振动，其振动能量足以抗衡来自周围的静压力。在分子周围建立起一个小的空间来满足分子振动的需要，振动所形成的这个小空间被称为自由体积Vf。当振动能量足够大时，自由体积会超过离子本身体积V，可能会互换位置而发生移动。如果施加电场力，离子将会定向运动，从而产生电流离子导电聚合物的自由体积导电理论在一定温度下聚合物分子要发离子导电聚合物的自由体积导电理论自由体积理论是解释非晶区导电的主要根据。自由体积理论提醒了在玻璃化转变温度以上时，聚合物分子的热振动可以在聚合物内创造一些小的空间，使得在聚合物大分子间存在的小体积物质〔分子、离子或原子〕的扩散运动成为可能。自由体积越大，越有利于离子的扩散，从而增加离子的导电能力。离子导电聚合物的自由体积导电理论自由体积理论是解释非晶区导电离子导电聚合物的聚合物络合理论当分子内含有能与阳离子形成配位键的给电子基团，或配位基团时，聚合物与阳离子的之间的相互作用力大大增强，有利于形成盐解离成离子。聚合物络合理论对离子导电聚合物的溶剂化能力有很好的解释。离子导电聚合物的聚合物络合理论当分子内含有能与阳离子形成配位聚合物玻璃化转变温度的影响Tg以上：聚合物的物理性质发生显著变化，类似于高粘度的液体，有一定的流动性，聚合物中含有的小分子离子在电场作用下，在其内部作一定程度的定向扩散运动，从而具有导电性。且随着温度的提高，聚合物的流变性等性质愈显突出，离子导电能力也得到提高，但其机械强度有所下降。聚合物玻璃化转变温度的影响Tg以上：聚合物的物理性质发生显著Tg以下：聚合物主要呈固态晶体性质，处于冻结状态，离子不能在聚合物中作扩散运动，几乎没有导电能力。因此聚合物的玻璃化转变温度是作为高分子固体电解质的下限温度。Tg以下：聚合物主要呈固态晶体性质，处于冻结状态，离子不能在影响玻璃化转变温度的主要因素是聚合物的分子构造和晶体化程度。可以通过降低分子间力来降低聚合物玻璃化转变温度。《本征型导电高分子》教学课件玻璃化转变温度不是唯一的影响因素，过低的玻璃转变温度会直接降低材料的力学性能。玻璃化转变温度不是唯一的影响因素，过低的玻璃转变温度会直接降聚合物溶剂化能力的影响聚合物对离子的溶剂化能力决定正、负离子能否解离，并独立存在。溶剂化能力一般可以用介电常数衡量，即介电常数大的聚合物溶剂化能力强。增加聚合物分子中极性键的数量和强度，或者增加极性取代基的比例，有利于提高聚合物的溶剂化能力。聚合物溶剂化能力的影响聚合物对离子的溶剂化能力决定正、负离子此外，当分子内含有能与阳离子形成配位键的给电子基团，或配位基团时，聚合物与阳离子的之间的相互作用力大大增强，有利于形成盐解离成离子。此时聚合物的介电常数只起次要作用。目前发现得性能最好的离子导电聚合物分子构造中大多含有聚醚构造，原因就在于此。此外，当分子内含有能与阳离子形成配位键的给电子基团，或配位基除了上述两种因素，分子量的大小、分子聚合程度等内在因素以及温度、压力等外在因素也会对离子导电聚合物的导电性能产生影响。除了上述两种因素，分子量的大小、分子聚合程度等内在因素以及温离子导电聚合物的制备常见的离子型导电聚合物:名称缩写符号作用集团可溶解盐类聚环氧乙烷聚环氧丙完聚丁二酸乙二醇酯聚葵二酸乙二醇聚乙二醇亚胺PEOPPOPesuccinatePEadipatePEimine醚基醚基酯基酯基胺基几乎所有阳离子和一价阴离子同上LiBF4LiCF3SO3NaI离子导电聚合物的制备名称离子导电聚合物的制备1、离子型导电聚合物的合成方法例如PEO与PPO的制备主要以环氧乙烷和环氧丙烷为原料，发生开环聚合反响，生成聚醚类聚合物。而聚酯类聚合物一般采用缩聚反响制得。离子导电聚合物的制备1、离子型导电聚合物的合成方法2、导电聚合物的性能改进〔1〕采用共聚方法降低材料的玻璃化转变温度和结晶性能。〔2〕采用交联方法降低材料结晶性。〔3〕采用共混方法提高导电性〔4〕采用增塑方法降低材料的玻璃化转变温度和结晶性能。2、导电聚合物的性能改进离子导电聚合物的应用离子导电聚合物最主要的应用领域是作为固体电解质在各种化学器件中代替液体或半固体电解质使用。离子导电聚合物在全固态电池、高性能电容器、化学敏感装置和新型电显示装置研究方面具有应用潜力。离子导电聚合物的应用离子导电聚合物最主要的应用领域是作为固体氧化复原型导电聚合物简解氧化复原型导电聚合物就是指在外界一定电压的作用下，聚合物侧链或主链的电活性集团发生可逆的氧化-复原反响来输送电荷的一类高分子材料。氧化复原型导电聚合物简解氧化复原型导电聚合物就

电极1电极2氧化复原型聚合物的导电机理电极1电极2氧化复原型聚合物的导电机理谢谢！谢谢！《本征型导电高分子》幻灯片本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！《本征型导电高分子》幻灯片本课件PPT仅供大家学习使本征型导电高分子材料高分子材料本身具有导电能力的被称为本征型导电高分子材料。本征型导电高分子材料内部不含其它导电性物质，完全由导电性高分子材料本身构成。由于其高分子本身具备传输电荷的能力，导电性能和支撑作用均由高分子本身承担，因此被称为构造型导电高分子材料。本征型导电高分子材料高分子材料本身具有导电能力的被称为本征型分类根据载流子的属性和导电形式划分为：电子导电高分子材料〔自由电子或空穴〕离子导电高分子材料〔正负离子〕氧化复原导电高分子材料〔氧化复原电子转移〕分类根据载流子的属性和导电形式划分为：56

导电高分子材料导电材料金属、合金导电高分子复合型本征型自由电子正负离子氧化还原电子转移载流子4导电高分子材料导电材料金属、合金导电高分子复合型本征型电子导电型聚合物导电过程需要载流子在电场作用下能够在聚合物内做定向迁移形成电流。内部具有定向迁移能力的自由电子或空穴是聚合物导电的关键。电子导电型聚合物导电过程需要载流子在电场作用下能够在聚合物内一、导电机理与构造特征有机分子中电子以以下四种形式存在:(1)内层电子：一般不参加化学反响。(2)s电子：键能较高，一般不易离域。称为定域电子。(3)n电子：孤立存在时没有离域性。(4)π电子：具有有限离域性,随着共轭程度的增加,离域性明显增加。一、导电机理与构造特征有机分子中电子以以下四种形式存在:当有机化合物中具有共轭构造时，π电子体系增大，电子的离域性增强，可移动范围扩大。共轭体系越大，离域性也越大。因此，当共轭构造足够大时，化合物即可提供自由电子。当有机化合物中具有共轭构造时，π电子体系增大，电子的离域性增一、导电机理与构造特征所有的电子导电型高分子材料的共同构造特征为分子内具有非常大的共轭π电子体系，具有跨键移动能力的π价电子成为这一类高分子材料的唯一载流子。例如聚乙炔，聚芳香烃和芳香杂环。一、导电机理与构造特征所有的电子导电型高分子材料的共同构造特部分电子导电聚合物的分子结构

部分电子导电聚合物的分子结构但是对于聚合物仅具有上述构造还不够，因为电子假设要在共轭π电子体系中自由移动，首先要抑制价带与导带之间的能级差。因此，这一能级差的大小决定了共轭性聚合物的导电能力的上下。但是对于聚合物仅具有上述构造还不够，因为电子假设要在共轭π电

每一CH自由基结构单元p电子轨道中只有一个电子。根据分子轨道理论，相领的两个自由基p电子形成以下的分子轨道。

以聚乙炔为例：每一CH自由基结构单元p电子轨道中只有分子共轭体系能级分裂示意图分子共轭体系能级分裂示意图减少能带分裂造成的能级差是提高共轭型聚合物导电的能力的主要途径。实现这一目标的手段之一就是用“掺杂〞法改变导带或价带中电子的占有情况，使其能级发生变化，从而减小能带差。减少能带分裂造成的能级差是提高共轭型聚合物导电的能力的主要途电子导电型聚合物导电所需条件：一是具有非常大的共轭π电子体系;二是导带与价带之间的能级差较小。电子导电型聚合物导电所需条件：一是具有非常大的共轭π电子体系二、电子导电型聚合物的性质1、掺杂对线型共轭聚合物进展掺杂常用的两种方式物质掺杂：参加第二种具有不同氧化态物质进展掺杂。非物质掺杂：通过聚合材料在电极外表进展电化学氧化或复原反响直接改变聚合物的荷电状态。二、电子导电型聚合物的性质1、掺杂在制备导电高分子材料时根据掺杂方法不同，分为p-型掺杂和n-型掺杂。p-型掺杂是在高分子材料的价带中除掉一个电子，使满轨道成为半充满的能量居中的亚能带，减少与空轨道间的能量差。常用氧化性掺杂剂有碘,溴等等。在制备导电高分子材料时根据掺杂方法不同，分为p-型掺杂和n-n-型掺杂是在高分子材料的导带中参加一个电子,使其呈半充满状态，分子轨道能量降低,从而减少能级差。常用萘基碱金属做为掺杂剂。n-型掺杂是在高分子材料的导带中参加一个电子,使其呈半充满经过掺杂，共轭性聚合物的导电性能往往会增加几个数量级，甚至10个数量级以上。经过掺杂，共轭性聚合物的导电性能往往会增加几个数量级，甚至1《本征型导电高分子》教学课件掺杂剂的使用量与聚合物电导率之间的相互关系电导率与掺杂剂量的关系掺杂剂的使用量与聚合物电导率之间的相互关系电导率与掺杂剂量2、温度与电子导电聚合物的关系与金属材料的特性不同，电子导电高分子材料的温度系数是负的，即随着温度的升高，电阻率减小，电导率增加。2、温度与电子导电聚合物的关系3、聚合物导电率与分子中共轭链长度之间的关系聚合物内的价电子更倾向于沿着线型共轭的分子内部移动，因此共轭链越长，越有利于自由电子沿着分子共轭链移动，电导率也就越大。3、聚合物导电率与分子中共轭链长度之间的关系三、电子导电聚合物的制备三、电子导电聚合物的制备1、直接法利用某些单体直接通过聚合反响生成具有线型共轭构造的高分子称为直接合成法。采用直接聚合法虽然比较简便，但是由于生成的聚合物溶解度差，在反响中多以沉淀的方式退出聚合反响，难以得到高分子量的聚合物。1、直接法2、间接法间接法合成是首先合成溶解和加工性能较好的共轭聚合物前驱体，然后利用消除等反响在聚合物主链上生成共轭构造。但是采用这种方法制成的聚合物电导率不高。2、间接法聚丙烯腈热解反响式为：聚丙烯腈热解反响式为：3、电化学聚合法这一方法采用电极电位作为聚合反响的引发和反响驱动力，在电极外表进展聚合反响并直接生成导电聚合物膜。反响完成后，生成的导电聚合物膜已经被反响时采用的电极电位所氧化〔复原〕，即同时完成了“掺杂〞过程。3、电化学聚合法机理机理聚吡咯的电化学聚合实例：用通式表示为：

聚吡咯的电化学聚合实例：用通式表示为：一般聚吡咯聚合阳极电压为0.6V~1.2V(相对于SCE)时产生单体和二聚体的自由基,以a为偶合.但是,不产生高聚物。保持在1.2V以上时生成的聚合体继续产生自由基,偶合,脱氢使高分子链继续增长.这证明反响的第二步是阳离子自由基之间的偶合反响,而不是阳离子自由基与单体的链增长反响.一般聚吡咯聚合阳极电压为0.6V~1.2V(相对于SC四、电子导电聚合物的性能与应用导电性能应用于电极材料及吸波材料等。电致变色性能应用于制备无视角限制的显示器件及智能窗的研究等。电致发光性能应用于电致发光器件。化学催化性能应用于分析化学、催化和化学敏感器的制作等方面。四、电子导电聚合物的性能与应用导电性能离子导电型高分子材料离子导电必须具备两个条件：首先是具有独立存在的正、负离子；其次是离子可以自由移动。离子导电的最大不同在于载流子，因离子体积较大，所以绝大局部离子导体是液体。某些固体材料也具有离子导电性，被称为固体电解质。包括离子导电高分子材料和无机固体导电材料。离子导电型高分子材料离子导电必须具备两个条件：首先是具有独立离子导电高分子材料离子导电高分子材料导电所需条件：具有将正负离子解离的溶剂化能力和允许体积较大的离子迁移的构造。离子导电高分子材料离子导电高分子材料导电所需条件：具有将正负固态离子导电机理主要包括：缺陷导电无扰亚晶格离子迁移导电非晶区扩散传导离子导电固态离子导电机理主要包括：非晶区传导离子导电高分子材料多是非晶态或不完全结晶物质，在非晶区呈现较大的塑形，由于链段的热运动，内部物质具有一定迁移性质，依据这种性质发生的离子导电过程被称为非晶区传导离子导电。非晶区传导离子导电高分子材料多是非晶态或不完全结晶物质，在非离子导电聚合物的自由体积导电理论在一定温度下聚合物分子要发生一定幅度的振动，其振动能量足以抗衡来自周围的静压力。在分子周围建立起一个小的空间来满足分子振动的需要，振动所形成的这个小空间被称为自由体积Vf。当振动能量足够大时，自由体积会超过离子本身体积V，可能会互换位置而发生移动。如果施加电场力，离子将会定向运动，从而产生电流离子导电聚合物的自由体积导电理论在一定温度下聚合物分子要发离子导电聚合物的自由体积导电理论自由体积理论是解释非晶区导电的主要根据。自由体积理论提醒了在玻璃化转变温度以上时，聚合物分子的热振动可以在聚合物内创造一些小的空间，使得在聚合物大分子间存在的小体积物质〔分子、离子或原子〕的扩散运动成为可能。自由体积越大，越有利于离子的扩散，从而增加离子的导电能力。离子导电聚合物的自由体积导电理论自由体积理论是解释非晶区导电离子导电聚合物的聚合物络合理论当分子内含有能与阳离子形成配位键的给电子基团，或配位基团时，聚合物与阳离子的之间的相互作用力大大增强，有利于形成盐解离成离子。聚合物络合理论对离子导电聚合物的溶剂化能力有很好的解释。离子导电聚合物的聚合物络合理论当分子内含有能与阳离子形成配位聚合物玻璃化转变温度的影响Tg以上：聚合物的物理性质发生显著变化，类似于高粘度的液体，有一定的流动性，聚合物中含有的小分子离子在电场作用下，在其内部作一定程度的定向扩散运动，从而具有导电性。且随着温度的提高，聚合物的流变性等性质愈显突出，离子导电能力也得到提高，但其机械强度有所下降。聚合物玻璃化转变温度的影响Tg以上：聚合物的物理性质发生显著Tg以下：聚合物主要呈固态晶体性质，处于冻结状态，离子不能在聚合物中作扩散运动，几乎没有导电能力。因此聚合物的玻璃化转变温度是作为高分子固体电解质的下限温度。Tg以下：聚合物主要呈固态晶体性质，处于冻结状态，离子不能在影响玻璃化转变温度的主要因素是聚合物的分子构造和晶体化程度。可以通过降低分子间力来降低聚合物玻璃化转变温度。《本征型导电高分子》教学课件玻璃化转变温度不是唯一的影响因素，过低的玻璃转变温度会直接降低材料的力学性能。玻璃化转变温度不是唯一的影响因素，过低的玻璃转变温度会直接降聚合物溶剂化能力的影响聚合物对离子的溶剂化能力决定正、负离子能否解离，并独立存在。溶剂化能力一般可以用介电常数衡量，即介电常数大的聚合物溶剂化能力强。增加聚合物分子中极性键的数量和强度，或者增加极性取代基的比例，有利于