具有无色/彩色/近红外电致变色效应的二吡咯酮聚合物研究

Conjugated polymers have become one of the most potential electrochromic materials due to their abundant colors, low costs, and varied processing procedures. However, single electrochromic polymer which can realize the color change among colorless/colorful/infrared has been rarely reported. In this proposal, dipyrrolone derivatives having two reversible redox processes are incorporated into the conjugated polymers and novel electrochromic polymers with D-A and A-A configurations, respectively, will be constructed. By applying different voltage, the reduction of the dipyrrolone derivatives can be well controlled and they can shift among electron acceptors, radical anions, and electron donors. Therefore, the color change among colorless/colorful/infrared can be achieved in single electrochromic polymer. We will investigate the conducting and electrochromic mechanism of the dipyrrolone derivatives in the electrochromic devices. The relationship among the chemical structures of the dipyrrolone based polymers, optophysical properties, and the performance of the electrochromic devices will be studied to explore the effective pathway for the improvement of the electrochromic device performance and provide theoretical and experimental supports for the investigation of other cathodic and ambipolar electrochromic polymers.

共轭聚合物电致变色材料由于色彩丰富、成本低廉、加工手段多样化，已成为最有潜力的电致变色材料之一。然而单一聚合物材料体系实现无色/彩色/近红外颜色之间转换的则鲜有报道。本项申请中，我们把具有两步可逆还原过程的二吡咯酮衍生物，引入到导电共轭聚合物中，分别构造具有D-A和A-A结构的新型电致变色聚合物材料，通过施加不同电压，控制二吡咯酮衍生物的还原，使其在电子受体、自由基阴离子和电子给体间转换，从而在基于单一聚合物材料的电致变色器件中实现无色/彩色/近红外多重颜色变换。我们通过研究含有二吡咯酮的聚合物电致变色材料在器件中的导电机制与变色机制，建立基于二吡咯酮的聚合物化学结构—光电物理性质—电致变色器件性能之间的构效关系模型，探讨提高电致变色器件性能的有效途径，为其它阴极或双极电致变色聚合物的研究提供理论和实验支持。

二吡咯酮衍生物在电化学过程中，得到一个电子形成自由基阴离子时出现近红外吸收峰，而得到两个电子后共轭结构发生重排，原有的共轭结构被打断，同时由电子受体变成电子给体。因此，我们以具有拉电子特性的吡咯并吡咯二酮、二吡咯酮并苯和二吡咯酮并萘基团为核，设计并制备了一系列具有D-A-D和A-A-A结构的模型化合物，在系统考察它们电致变色性能的基础上，以其中部分材料为聚合单体，通过电化学聚合制备了电致变色聚合物薄膜，深入研究了它们的电致变色性能，发展了阴极和双极电致变色材料以及新型电致变色器件，获得了能在无色/彩色/近红外颜色之间变换的电致变色材料与器件，探索了含有二吡咯酮衍生物的电致变色材料结构与性能之间的构效关系，不仅通过使二吡咯酮衍生物在电子受体、自由基阴离子和电子给体间转换，实现了同一器件同一材料不同电压下的多种颜色变化，而且还通过选择性刻蚀电极的方法实现了同一器件同一电压下同种材料的多重颜色变化。在此基础上我们进一步将二吡咯酮中的酰胺结构用亚酰胺结构替代，发展了多种具有酰亚胺结构的电致变色聚合物，不仅提高了酰胺结构单元在电化学还原后的稳定性，还显著缩短了相应电致变色材料的上色和褪色时间，提高了光学对比度。我们进一步将其与颜色互补材料匹配，实现了无色/黑色/近红外之间电致变色转换，并发展了具有防伪和自动数显等多功能的新型电致变色器件。.目前以通讯作者发表署有本项目课题号（21674023）的SCI论文15篇，此外，申请中国专利2项，授权中国专利1项。