普鲁士蓝/导电聚合物纳米复合材料的可控制备及功能化

半导体/导电聚合物纳米复合材料因其组分间的优良物理接触和电子传递而显现出优越的电化学性能及新颖的光学性质。针对基于普鲁士蓝(PB)/导电聚合物纳米复合材料在结构构筑上重复性及稳定性较差的现状，本项目提出开展不同结构的PB/导电聚合物纳米复合体系的结构设计、可控制备与功能化研究。在实验上，采用静电自组装与配位聚合/氧化聚合同步进行相结合的新技术一步法合成PB及其衍生物与导电聚合物的纳（微）米复合材料，寻求得到稳定的、单分散的、具有不同结构的PB/导电聚合物纳米复合体系的可控制备的最佳方案。在理论上，探索纳米复合体系中界面相互作用机理、复合效应及协同效应以及组分间能级匹配程度等与纳米复合材料光电性质之间的关系，通过组分间的结构参数优化组合，考察并提升 PB/导电聚合物纳米复合体系的电致变色、电场响应、光致发光等性能，为优化设计并发展具有特定光电性质的半导体/导电聚合物纳米复合体系提供理论依据。

本项目通过在噻吩单体上引入铁氰盐官能团，设计合成了含铁氰盐端基的新型噻吩衍生物，在FeCl3的氧化作用下可以同时生成聚噻吩和普鲁士蓝的金属有机结构，实现了导电聚合物与金属配合物的直接键合。因铁氰盐端基的存在使得该噻吩衍生物具有水溶性，能在水体系中进行噻吩的聚合，具有绿色环保的优点。同时，由于分子结构兼具有亲油的噻吩部分和亲水的铁氰盐部分，使其在Fe3+作用下同时发生噻吩部分的氧化聚合以及铁氰盐官能团形成普鲁士蓝网络结构的转变，进而形成纳米颗粒。聚合物分子中普鲁士蓝与噻吩发生相互作用，对其紫外吸收性质产生影响，分子具有较小的能隙。对聚合物电致变色现象研究发现，在聚噻吩部分与普鲁士蓝部分的共同作用下，聚合物表现出特殊的电致变色现象，具有三色变色特性，拓展了颜色变化范围，有望作为新的有机电致变色材料在智能窗等领域得到应用。该工作的新颖之处在于巧妙地将有机杂环结构与无机半导体结构相结合，实现了普鲁士蓝/导电聚合物纳米复合材料的可控制备及功能化，对改善和拓宽其性质/性能并进一步开发新型功能材料具有重要意义。此外，本项目在对结构可控的导电聚合物纳（微）米结构及其复合结构的设计、制备与性质/性能研究方面进行了有益的探索。在研究体系上，涉及到由导电聚合物、碳材料、无机材料等复合而形成的不同形貌的复合体系；在研究思路上，注重合成过程中多种化学作用/反应的协同性、制备过程的便利性及绿色环保；在研究理念上，重视在实验现象中反映出的化学问题及物理问题，在理论研究的基础上完善及提高材料的性能。所开发的功能新材料包括具有优良电化学电容性能的聚吡咯纳米球及石墨烯/聚苯胺空心微球、具有羰基侧链的梳状聚硅氧烷/聚苯胺新型氢键类接枝导电共聚物及环氧基功能化聚硅氧烷/聚苯胺化学接枝共聚物、超高强度石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合水凝胶、四氧化三铁@碳@聚苯胺三层核-壳结构复合微球、石墨烯@四氧化三铁@聚吡咯复合微球以及二氧化锰@聚吡咯同轴纳米管等。这些工作的特点是：在实践上，体现了不同的功能材料在催化、对重金属离子或有机染料的吸附以及电化学储能材料方面应用的优势；在理论上，理清了不同的功能材料的形成机制和自组装过程，深化了对其结构与性质/性能关系的理解，为通过简便灵巧的制备过程获得兼具高性能及多功能的新颖材料提供了思路。