含极性侧链的二维共轭苯并二噻吩类聚合物的设计、合成及其热电性能研究

Polymeric thermoelectric materials (PTMs) have recently attracted increased attention due to their unique properties, such as structural variability and easy of processing. However, PTMs are still in the initial development stage and face a number of challenges: 1) only limited conjugated polymer candidates have been explored as thermoelectric materials, the polymer structure-thermoelectric properties relationship is still unclear; 2) the doping of conjugated polymers is still inefficient and conjugated polymers are generally unstable in the doped state. In this project, we attempt to design and synthesize a series of two-dimensional conjugated benzodithiophene-based polymers with polar side chains, the correlations between the polymer structures, electrical conductivity, and Seebeck coefficient will be elucidated through systematically investigation. By using the synergy effects of conjugated backbone, two-dimensional side chains, and polar side chains, the goal of improving the conductivity of polymers without lowering their Seebeck coefficient will be achieved. The appropriate molecular dopants will be selected based on the band-gap structure of conjugated polymers, under the optimized doping strategy, the doping efficiency and stability will be enhanced by improving the polymer-dopant miscibility, conjugated polymers with high power factor will be eventually achieved. This study will expand the polymer candidates as thermoelectric materials, and provide new ideas and methods to achieve high-performance polymeric thermoelectric materials.

聚合物热电材料通常具有结构易于调控，容易成型等特点，已逐渐发展成为材料领域一个新的研究方向。然而聚合物热电材料的研究在国际上仍处于起步阶段，还存在如下一些问题：1）高性能的聚合物热电材料体系依然相当匮乏，聚合物的结构与热电性能参数之间的构效关系尚不十分清楚；2）聚合物掺杂效率较低以及掺杂态稳定性较差。针对以上问题，本项目拟设计合成一系列含极性侧链的二维共轭苯并二噻吩类共聚物，系统认识分子结构对电导率和Seebeck系数的影响规律，通过主链结构、共轭侧链结构、极性侧链的协同效应，达到同时兼顾高电导率和高Seebeck系数的目的。根据聚合物的能带结构选取合适的小分子掺杂剂，利用极性侧链与掺杂剂之间的相互作用，结合优化的掺杂工艺，提高聚合物掺杂效率和掺杂态稳定性，最终获得高性能的聚合物热电材料。本项目的开展有望拓展聚合物热电材料类型，为高性能聚合物热电材料新体系的构筑提供新的思路和方法。

伴随着全球工业化程度的提高，人们对于能源的需求变得越来越迫切。各种各样的新能源材料被开发出来。热电材料，是一种利用固体内部载流子运动来实现热能与电能之间相互转化的新型能源材料，可以将生活与工业中产生的废热进行电能的转换。本项目设计与合成了一系列含极性侧链的苯并二噻吩类共轭聚合物、含二维侧链的苯并二噻吩类聚合物以及其他含极性侧链的共轭聚合物热电材料，为了同时兼顾高电导率和Seebeck系数，我们系统探讨主链结构、共轭侧链结构、极性侧链对聚合物性能影响的协同效应。同时根据聚合物的能带结构选取合适的小分子掺杂剂，利用极性侧链与掺杂剂之间的相互作用，结合优化的掺杂工艺，提高聚合物掺杂效率和掺杂态稳定性，最终获得高性能的聚合物热电材料，得到的聚合物最高功率因子达最高功率因子达到101.3 μW m-1 K-2，在纯聚合物热电材料中处于较高水平。另外，本研究创新性的引入离子侧链作为极性侧链，借助离子侧链本身的自掺杂功能，获得了掺杂稳定性优异的共轭聚合物热电材料。此外，我们在聚噻吩上引入极性侧链可以增强聚噻吩与SWCNT之间的相互作用，从而提高热电性能。结果表明，复合材料显示出699.57 S cm-1的电导率和121 μWm-1 K-2的功率因子。本项目的开展，不仅拓宽了热电材料体系，同时也在某种程度上阐明聚合物分子结果与热电性能之间的关系，为热电器件的制备带来了希望。