用于石墨烯在低沸点有机溶剂中分散的高分子分散剂

Due to the limited adsorption force between traditional small molecule surfactants and graphene, these small molecules can make graphene disperse in water rather than organic solvents with low boiling point, which limits the application of solution-processed graphene in photoelectric device. In this project, we aim to develop a kind of high-performance polymer surfactants for graphene dispersion in low-boiling-point organic solvents. The multiple electron-deficient π conjugated units of the polymer surfactants were designed to increase the adsorption ability of the surfactants with the electron-rich graphene, while the hydrophobicity of the flexible polymer chain segment and the encapsulation of the polymer chain were used to improve the dispersion stability of graphene in low-boiling-point organic solvents. This project will not only develop high performance polymer surfactants for the liquid exfoliation of graphene, but also pave the way for the application of solution-processed graphene in photoelectric device.

传统的石墨烯有机小分子分散剂由于其与石墨烯的吸附作用力有限，只能将石墨烯分散在水中，无法将石墨烯分散在低沸点有机溶剂中，因而限制了溶液加工的石墨烯在光电器件领域的应用。本项目旨在针对石墨烯π共轭平面结构开发一类高分子分散剂，实现石墨烯在低沸点有机溶剂中的稳定分散。其途径是将缺电子π共轭单元和柔性高分子链段共聚构成高分子分散剂，利用高分子中多个缺电子π共轭单元与富电子的石墨烯之间强的吸附作用、柔性高分子链段的致溶作用、和高分子链对石墨烯的缠绕保护作用，提高高分子分散剂在溶液中分散石墨烯的能力，并实现石墨烯在低沸点有机溶剂中的分散。该研究将一方面为石墨烯的溶液剥离制备开发出一类高性能高分子分散剂，另一方面为溶液加工的石墨烯在光电器件领域的应用提供研究基础和材料保障。

传统的石墨烯有机小分子分散剂由于其与石墨烯的吸附作用力有限，只能将石墨烯分散在水中，无法将石墨烯分散在低沸点有机溶剂中，因而限制了溶液加工的石墨烯在光电器件领域的应用。我们首先按研究计划合成了线性的高分子分散剂，但是发现线性高分子分散剂与石墨烯的吸附作用力弱，在溶液中分散石墨烯的能力有限。于是，我们开发了具有超大π共轭单元的类二维高分子材料石墨烯量子点（GQD）作为石墨烯分散剂，利用超大π共轭单元与石墨烯间的强π-π相互作用，在有机溶剂中也能牢牢地吸附在石墨烯表面；边缘羧基化的结构避免了GQD基面上的含氧官能团的空间位阻作用阻碍分散剂分子与石墨烯的吸附；边缘丰富的羧酸官能团使石墨烯具有很好的溶液分散性，实现了石墨烯在低沸点有机溶剂中的分散。得到的石墨烯有机溶液浓度（0.2 mg mL-1）与使用传统有机小分子分散剂得到的石墨烯水溶液浓度相当。并且，我们成功地将在低沸点有机溶液中分散的石墨烯、石墨烯分散剂、和一类天然的高分子化合物果胶应用于高分子太阳能电池的界面层，以PCDTBT:PC71BM作为活性层的器件能量转换效率均优于使用传统的阴极界面材料（钙）的器件性能。该项目不仅开发出一类能够实现石墨烯在低沸点有机溶剂中分散的分散剂，还开发出三类高分子太阳能电池阴极界面材料，为溶液加工的石墨烯在光电器件领域的应用提供研究基础和材料保障。