非对称结构苯并三唑类聚合物-ZnO纳米阵列复合电致变色材料的研究

Polymer Electrochromic (PEC) materials with multicolor display properties are promising as novel information functional materials. We synthesize a series of monomers with a asymmetric donor-accepter-donor' (D-A-D') structure using benzotriazole as an electron accepter and several ending groups as donors. Based on highly ordered ZnO nanorod arrays as templates, benzotriazole polymers-ZnO array hybrids are fabricated via an electrochemical in-situ composite technique. The asymmetric D-A-D' structure consists of many advantages of both the copolymerization and the symmetric structure, which can effectively tune the colors of PEC materials. The existence of the ordered nanostructure can not only enhance the adhesion of the polymer to the ZnO electrode, but also increase the diffusion channel and reduce the diffusion distance of counterions, which can significantly improve PEC materials' stability and response speed, etc. Finally, the multicolor display prototype devices based on the benzotriazole polymers-ZnO array composites are designed and assembled to investigate the relationship among the asymmetric D-A-D' structure, composite interface microstructure and electrochromic properties. Thedeep understanding the above relationship will pave the way to fabricate the multicolor and fast response PEC-ZnO nanocomposites and prepare their display devices.

具有多色显示功能的电致变色聚合物是一种新型信息功能材料，本项目拟设计合成一系列以苯并三唑为电子受体、两端分别连接不同给体的非对称给体-受体-给体'（D-A-D'）结构单体，并以高度有序的ZnO纳米阵列为模板，利用电化学原位复合技术制备苯并三唑类聚合物-ZnO纳米阵列复合电致变色材料。非对称D-A-D'结构整合了共聚与对称型D-A-D结构的优点，可大范围调控电致变色材料的多色显示功能；纳米有序复合微结构的构筑，能改善聚合物与电极的接触界面和结合力，增加补偿离子的扩散通道，缩短其扩散距离，有望显著提高材料的稳定性、响应速度等性能。最终，设计并组装基于苯并三唑类电致变色聚合物-ZnO纳米阵列复合材料的多色显示原型器件，阐明非对称D-A-D'结构、聚合物聚集态、复合界面微结构与电致变色性能之间的关联，为多色快速响应型电致变色聚合物-ZnO纳米复合材料及其显示器件的制备提供理论基础与实验依据。

聚合物电致变色材料（PEC）是一类借助电场刺激动态调控材料光学性质的具有潜在应用前景的新型信息功能材料。本项目设计合成了一系列两端分别连接不同给体的非对称给体-受体-给体’（D-A-D）结构单体，并以ZnO纳米阵列为模板，利用电化学原位复合技术制备聚合物-ZnO纳米阵列复合电致变色材料，深入研究分子结构、复合界面与电致变色性能之间的关联。主要内容概括如下：.合成了一系列基于噻吩和咔唑的D-A-D对称结构的单体，通过改变不同的受体、给体基团，考察其对电致变色性能的影响。噻吩基团的引入使得聚合物膜具有较多的颜色显示；侧链吸电子基团对薄膜的光学对比度、响应时间和着色效率影响显著。.设计合成了两种基于噻吩衍生物和苯并噻二唑的不对称D-A-D’结构单体，并电化学聚合制备了相应的聚合物薄PFTBT和PDFBT膜。由于EDOT基团强的给电子特性，PDFBT的最大吸收峰红移。不同的吸收特性使得PFTBT膜在紫色和蓝色之间切换；PDFBT膜在不同的电压下显示蓝绿色和紫黑色的变换。两种聚合物膜均有较好的稳定性。.采用溶剂热法和电化学原位聚合法制备了聚合物--ZnO纳米垄/ZnO纳米棒/ZnO纳米片核壳复合膜。电致变色性能测试结果证实了ZnO纳米结构的引入可以明显改善聚合物的光学对比度、响应速度和电化学稳定性。提出了可能的离子扩散机理，揭示了扩散离子在聚合物与纳米结构复合膜中的扩散运动。ZnO纳米阵列的引入可以增大表面接触面积，缩短离子的扩散距离，纳米结构具有更大的孔隙率和内部空间，有利于离子的掺杂-脱掺杂，从而导致复合膜具有更加优秀的电致变色性能。相对于聚合物本体薄膜，复合膜具有更小的离子扩散阻抗，导致离子扩散速度加快，进一步为上述的理论提供了实验和理论依据。.此外，作为本项目工作的延伸和发展。研究了离子液体作为电解质对聚合物电致变色性能的提高作用（光学对比度、循环稳定性等），并提出相应的离子扩散机理，推测根本原因在于离子液体对聚合物离子导电性的改善。