高性能导电聚噻吩衍生物热电材料的制备及性能

Thermoelectric materials as an environmentally friendly clean energy has broad application prospect in thermoelectric power generation and refrigeration, meet the needs of country's new energy development strategic. Polythiophene is an important kind of structural conducting polymer, as novel organic thermoelectric materials have excellent environmental stability and high Seebeck coefficient. Since 2008, we reported the thermoelectric properties of polythiophene derivatives, as a pioneering work have promoted the recognition of organic thermoelectric materials, and stimulated the new enthusiasm of research on organic thermoelectric materials internationally. However, until to now, the research on preparation, structure, properties of high performance polythiophene thermoelectric materials and effect of external factors on the thermoelectric properties of materials is inadequate. In this study, novel high performance poly thiophene derivatives as the focus of research, we will prepare a series of novel polythiophene derivatives thermoelectric material; explore the molecular structure, preparation methods, aggregation structure and effect of external factors such as electric and magnetic fields on the thermoelectric properties; explore the carrier thermoelectric conversion mechanism of polythiophenes thermoelectric material, establish theoretical model, clarify the related regulation between thermoelectric properties and structure of polythiophenes material, provide theoretical basis for the potential application of organic thermoelectric materials.

热电材料作为环境友好型清洁能源在温差发电和制冷方面具有广阔应用前景，符合国家新能源发展重大战略需求。聚噻吩是一类重要的结构型导电聚合物和新型有机热电材料，具有优良的环境稳定性和高Seebeck系数。2008年以来我们关于聚噻吩衍生物热电性能的开拓性工作发表后促进了国际上有机热电材料的再认识，引发了国际上有机热电材料研究的新热情。但到目前为止在高性能导电聚噻吩热电材料的制备、材料结构与性能的关系、外场对材料热电性能的影响研究不足。本项目拟以新型高性能聚噻吩衍生物为研究重点，制备一系列新型聚噻吩衍生物热电材料；探索聚噻吩材料的分子结构、制备方法、聚集态结构以及外场调控如电场和磁场等对材料热电性能的影响；借此摸索聚噻吩类热电材料载流子热电转换机制，建立部分理论模型，争取阐明聚噻吩材料结构和热电性能之间的相关规律，为有机热电材料的潜在应用提供理论依据。

本项目申请目的是以高性能噻吩衍生物为研究重点，制备一系列新型聚噻吩衍生物热电材料，探索了聚噻吩类导电高分子材料热电性能，为有机热电材料的潜在应用提供理论依据。首先，利用stille偶联等方式合成了一系列的噻吩衍生物，然后通过对分子结构的设计，以及相关表征证明尝试阐释了聚噻吩分子结构与其热电性能的关系。其次对噻吩衍生物聚合物的制备采用多元化的处理方式，有常见的直接化学氧化聚合、电化学聚合以及气相聚合等，通过不同聚合物薄膜的制备来实现聚噻吩衍生物热电性能的优化。最后我们还利于高沸点溶剂掺杂或其他方式实现直接掺杂或二次掺杂探究掺杂度对聚噻吩衍生物薄膜热电性能影响；同时，我们还发现二维石墨烯材料能够明显提高有机导电高分子PEDOT:PSS（PEDOT即聚（3,4-二氧乙撑噻吩）最为典型的聚噻吩衍生物之一）的Seebeck系数，并实现热电性能的新突破。基于以上发现，我们还制备了其他的一些二维类石墨烯材料和一维纳米材料与PEDOT:PSS的纳米热电复合薄膜，并对其热电性能进行了系统的研究，取得了较大进展；基于制备的薄膜，组装了薄膜热电器件，展现了较好的输出功率密度，推动了薄膜材料和器件的发展；在前期工作的基础上，总结了PEDOT在热电领域的发展历程和影响PEDOT:PSS热电性能的因素，形成了在该领域具有指导意义的综述论文。. 在基金资助下，2015-2018年共计发表SCI论文39篇，申请专利8项，参加国际学术会议14次。这些成果不仅探讨了探索聚噻吩材料的分子结构、制备方法、聚集态结构等对材料热电性能的影响，同时也研究聚噻吩衍生物与其他导电高分子或无机化合物纳米尺度复合得到的热电性能优化以及应用奠定了一定的基础。