高分子化合物的合成导电高分子材料

高分子化合物的合成导电高分子材料第一页，共二十三页，编辑于2023年，星期六本征型导电高分子：是指具有共轭π-键，其本身或经过“掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。复合型导电高分子：是指以绝缘高分子为基体，与其他导电性物质以均匀分散复合、层叠复合或形成表面导电膜等方式，制得的一种有一定的导电性能的复合材料。本征型导电高分子复合型导电高分子一.导电高分子的分类第二页，共二十三页，编辑于2023年，星期六二.导电高分子材料的研究进展

1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。

Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3H－C≡C－H1000倍催化剂温度10－8～10－7S/m10－3～10－2S/m导电高分子材料的发现第三页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的研究进展

1975年，G.MacDiarmid、J.Heeger与H.Shirakawa合作进行研究，他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应(doping)后，其电导率令人吃惊地达到3000S/m。聚乙炔的掺杂反应第四页，共二十三页，编辑于2023年，星期六NobelPrizeinChemistry2000“Forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers”G.MacDiarmidH.ShirakawaJ.Heeger第五页，共二十三页，编辑于2023年，星期六名称结构聚乙炔聚噻吩聚吡咯聚苯胺聚苯等其他种类

与聚乙炔相比，它们在空气中更加稳定，可直接掺杂聚合，电导率在104S/m左右，可以满足实际应用需要。第六页，共二十三页，编辑于2023年，星期六半导体到导体的实现途径－掺杂(doping)

在共轭有机分子中σ电子是无法沿主链移动的，而π电子虽较易移动，但也相当定域化，因此必需移去主链上部分电子(氧化)或注入数个电子(还原)，这些空穴或额外电子可以在分子链上移动，使此高分子成为导电体。导电高分子材料的共同特征－交替的单键、双键共轭结构三.本征导电高分子材料的导电机理第七页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的掺杂途径氧化掺杂(p-doping):[CH]n+3x/2I2

——>[CH]nx++xI3-

还原掺杂(n-doping):[CH]n+xNa——>[CH]nx-+xNa+

添补后的聚合物形成盐类，产生电流的原因并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。本征导电高分子材料的导电机理掺杂导电高分子材料的导电机理

碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3－，聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动，结果使双键可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。第八页，共二十三页，编辑于2023年，星期六四高分子材料导电能力的影响因素导电高分子材料聚乙炔的电导率掺杂方法掺杂剂电导率，S/m未掺杂型顺式聚乙炔反式聚乙炔1.7×10－74.4

×10－3p－掺杂型（氧化型）碘蒸汽掺杂五氟化二砷掺杂高氯酸蒸汽电化学掺杂5.5×1041.2×1055×1031×105n－掺杂型（还原型）萘基钾掺杂萘基钠掺杂2×104103～104第九页，共二十三页，编辑于2023年，星期六高分子材料导电能力的影响因素掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响

掺杂率小时，电导率随着掺杂率的增加而迅速增加；当达到一定值后，随掺杂率增加的变化电导率变化很小，此时为饱和掺杂率。第十页，共二十三页，编辑于2023年，星期六高分子材料导电能力的影响因素共轭链长度对导电高分子材料导电能力的影响

π电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度，并且随着共轭链长度的增加，这种趋势更加明显，导致聚合物电导率的增加。第十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期六高分子材料导电能力的影响因素温度对导电高分子材料导电能力的影响

对金属晶体，温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由运动；而对于聚乙炔，温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量，克服其能带间隙，实现导电过程。第十二页，共二十三页，编辑于2023年，星期六1.电导率范围宽五.导电高分子材料的特性第十三页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子不仅可以掺杂,而且还可以脱掺杂,并且掺杂-脱掺杂的过程完全可逆。

2.掺杂-脱掺杂过程可逆导电高分子材料的特性3.响应速度快响应速度快(10-13sec)第十四页，共二十三页，编辑于2023年，星期六4.具有电致变色性导电高分子材料的特性第十五页，共二十三页，编辑于2023年，星期六六.导电高分子材料的应用第十六页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的应用－半导体/导体/可逆掺杂半导体特性的应用－发光二极管

利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡更节省能源而且产生较少的热，具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息标志等。第十七页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的应用半导体特性的应用－太阳能电池

导电高分子可制成太阳电池，结构与发光二极管相近，但机制却相反，它是将光能转换成电能。优势在于廉价的制备成本，迅速的制备工艺，具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性。第十八页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的应用导体特性的应用抗静电理想的电磁屏蔽材料，可以应用在计算机、电视机、起搏器等电磁波遮蔽涂布能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料

防蚀涂料能够防腐蚀，可以用在火箭、船舶、石油管道等

第十九页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的应用电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用－电变色组件

共轭高分子在电化学氧化还原时都会产生变色现象。电变色性在汽车防眩后视镜、光信息储存组件、太阳眼镜、军事用途护目镜、飞机驾驶舱遮篷及智能窗等可控制电变色性质的应用上具有极大的发展潜力。第二十页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的应用电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用－可反复充放电电池

导电高分子电极与对应电极及电解质构成一个蓄有电能的电池，若加电场而掺杂充电，加负载而去掺杂放电，该充电/放电过程为可逆反应。具有价廉、能量密度高、循环寿命长、和低自身放电等优点。

高分子掺杂态储存电能、脱掺杂过程中释放电能。

——全塑电池第二十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期六导电高分子材料的应用电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用－气体检测器

检测的气体包括氧化性气体与还原性气体，氧化性气体在高分子薄膜内将导电高分子氧化，形成阴离子掺杂，增加导电度；还原性气体在高分子薄膜内则会将导电高分子还原，形成阳离子掺杂，降低导电度。因为其对电信号的变化非常敏感，因此可以用做检测器。

生物传感器葡萄糖传感器、尿素传感器、乳酸传感器、胆固醇传感器第二十二页，共二十三页，编辑于2023年，星期六七.总结导电高分子材料的优越性具有半导体及导体双重特性，可低温加工、可大面积化、具有塑