窄带隙金属铂炔类聚合物的设计、合成及其热电性能研究

Polymer-based thermoelectric materials (PTMs) are the frontier and new topic in the field of organic polymer optoelectronic materials. One of the key points in this topic is to increase Seebeck coefficient and conductivity of the produced materials to improve the performance of PTMs. However, the relationship between the structure and Seebeck coefficient of PTMs hasn’t been well understood so far. In recent study, we found that a platinum-containing metallopolyyne with narrow band gap, donor-acceptor structure, and good stability exhibits large Seebeck coefficient. We intend to further investigate this novel material in details. In this project, a series of narrow band-gap platinum-containing metallopolyynes will be designed and synthesized, and the thermoelectric properties of these polymers will be systematically investigated. We will eventually elucidate the correlations between the structure and Seebeck coefficient of the polymers by changing main chain structure, side chain structure, and platinum content. Then, the polymers with large Seebeck coefficient will be selected for next development. The conductivities of the selected polymer will be improved by adjusting the platinum content, chemical doping and physical composite. Finally, platinum-containing metallopolyynes with excellent performance are expected to be obtained, which would provide new research ideas in the development of new polymeric thermoelectric materials.

聚合物热电材料是目前有机聚合物光电材料研究的前沿和崭新方向。提高聚合物的Seebeck系数和电导率是发展聚合物热电材料的关键。针对聚合物热电材料结构比较单一，且结构与Seebeck系数的关系尚不清楚，n-型热电材料缺乏等问题，本项目拟在前期工作基础上，结合理论计算，设计、合成一系列新型窄带隙金属铂炔类聚合物，通过主链结构、侧链结构、铂含量等结构的变化系统认识聚合物结构对Seebeck系数的影响规律。在此基础上筛选Seebeck系数大的金属铂炔类聚合物，通过调节铂含量、化学掺杂和物理复合等策略，提高聚合物的电导率，从而获得高性能的金属铂炔类聚合物热电材料。本项目前期已经开展了一些预研，获得了很高的Seebeck系数，具有较好的可行性。本项目有望拓展聚合物热电材料的类型，揭示聚合物结构与热电性能的关系，在n-型聚合物热电材料上取得突破，为高性能热电材料的研究提供新的思路。

聚合物热电材料是目前有机聚合物光电材料研究的前沿和崭新方向。提高聚合物的Seebeck系数和电导率是发展聚合物热电材料的关键。本项目通过主链结构、侧链结构、铂含量等结构的变化系统认识了聚合物结构对Seebeck系数、电导率以及功率银子的影响规律。并在此基础上筛选Seebeck系数大的金属铂炔类聚合物，通过调节铂含量、化学掺杂和物理复合等策略，提高了聚合物的电导率，获得了高性能的金属铂炔类聚合物热电材料。主要工作具体如下：1、设计并合成了两个主链结构含有苯并噻二唑二噻吩单元的金属铂炔类聚合物P(TBT-Pt)和P(TBTC6-Pt)。通过优化掺杂处理，聚合物电导率最高可达20.98 S m-1，同时最大Seebeck系数依然能够维持在 -2.49 ± 0.17 mV K-1， 从而获得 121.5 ±12.6 μW m-1 K-2的高PF值。2、为了实现铂炔配合物的有效P型掺杂，在分子设计上引入富电子的寡聚噻吩片段，通过调控铂乙炔单元的含量优化热电性能。结果发现，铂原子的引入可以显著提高聚合物的电导率；同时，随着铂含量的增加，S也单调增加。3、通过重新设计铂乙炔配合物结构，将铂乙炔配合物置于聚合物材料的支链上，合成了一系列超支化铂乙炔聚合物有机热电材料。铂乙炔配合物嵌入聚合物支链中，能改善材料的溶剂抗腐蚀性能，提升材料的电导率经，FeCl3掺杂最高可达76.3 ± 1.6 S cm-1。4、选取了热电性能比较好的P(TBT-Pt)以及不含铂炔结构的PTBT分别与SWCNT复合研究铂炔结构对聚合物/SWCNT复合材料热电性能的影响。变温下P(TBT-Pt)/SWCNT复合材料的最高PF值为158.6 μW m-1 K-2，制备的柔性热电器件具有很高的输出功率值 (2190.7 nW, ΔT = 70 K)，是迄今为止p型聚合物/SWCNT复合材料基器件输出功率值最高的器件之一。综上所述，本项目的研究揭示了聚合物结构与热电性能的关系，在n-型聚合物热电材料上取得了突破，为高性能热电材料的研究提供了新的思路。