離子液體中導電聚合物的電化學合成及其電致變色性質(zhì)和器件的研究.pdf

1、導電聚合物是近年來電化學研究的熱點之一。聚噻吩及其衍生物因具有高度的穩(wěn)定性,優(yōu)良的導電性,較高的電化學活性,較好的電致變色性能以及多方面的應用前景而在導電聚合物研究領域中占有重要的地位。聚合物一般采用化學方法和電化學方法合成。與化學方法相比,電化學聚合法具有摻雜過程可以定量控制,所得產(chǎn)物可進行可逆的氧化還原反應,以及制備聚合物膜質(zhì)地均勻等優(yōu)點。 離子液體與傳統(tǒng)溶劑相比,有其獨特的性能。例如蒸氣壓低、不易揮發(fā)、可循環(huán)利用以及環(huán)境友

2、好、電導率高、酸堿性可調(diào)、具有很大的電位窗(4V)等。同時離子液體又是理想的電化學介質(zhì)材料,能溶解很多有機物、無機物,具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,所以離子液體可望用做電化學聚合的介質(zhì)。Rogers等在2003年Science上預言在未來的十年間離子液體將在許多應用領域中取代傳統(tǒng)的有機溶劑,甚至應用在傳統(tǒng)溶劑不能應用的領域中。然而導電聚合物電化學聚合及電致變色方面的研究一般是在有機溶劑中進行的,在離子液體中的報道尚少,因此在離子液體中

3、采用電化學方法合成導電聚合物具有較好的理論意義及應用價值。 電致變色材料是目前最有應用前景的智能材料之一。用這類材料制成的靈巧窗、反射鏡、顯示器等電致變色器件給人們的生活帶來了極大便利。因此,尋找性能優(yōu)良的電致變色材料、研發(fā)電致變色器件已日益成為科研工作的熱點。導電聚合物作為一類重要的電致變色材料具有其獨特的優(yōu)點,如成本低、韌性佳、加工性能好,光學質(zhì)量好,顏色轉(zhuǎn)換快,循環(huán)可逆性好,且能通過修飾分子結構改善變色性能。共聚是一種提高

4、電學和力學性質(zhì)的有效手段,同時也可以對聚合物的電致變色的性質(zhì)加以調(diào)控。隨著納米技術的發(fā)展,納米復合電致變色膜作為一類新型的電致變色材料受到人們的日益重視。 本論文使用離子液體作為溶劑和支持電解質(zhì),通過電化學方法制備噻吩衍生物的均聚、共聚及納米復合電致變色膜。通過紅外光譜、掃描電子顯微鏡和熱重和差熱分析法等對膜的性質(zhì)進行表征,并利用循環(huán)伏安法、紫外可見光譜法、循環(huán)電位掃描吸收法、計時安培法、計時電勢法和計時吸收響應曲線法對膜的電化

5、學和電致變色的特性進行表征,并在此基礎上構筑電致變色器件。本論文內(nèi)容共分六章： 第一章 緒論 本章內(nèi)容主要包括離子液體、導電聚合物、電致變色材料、電致變色器件四部分。文中簡要介紹了離子液體的種類、特性、制備,著重綜述了離子液體在電化學中的應用；介紹了導電聚合物的制備、性能表征方法和它的應用前景。對電致變色的種類及性能進行了概述。介紹了電致變色器件的制備、結構及工作原理并詳細地闡述了它的應用及前景。 第二章 離子液

6、體中聚(3-溴噻吩)的電化學合成和電色效應研究 本章以1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體[BMIM]PF6既作為溶劑又作為支持電介質(zhì),通過恒電流、循環(huán)伏安等方法制備聚(3-溴噻吩)(PBrT)膜。采用紅外光譜(FT-IR)和掃描電子顯微鏡(SEM)對PBrT膜的結構和形貌進行表征,用熱重和差熱分析法(TG-DTA)研究聚合膜的熱穩(wěn)定性,并利用紫外可見光譜(UV-Vis)、計時電流和計時吸收曲線研究該聚合膜電化學和電致變色的

7、特性。研究結果表明,與傳統(tǒng)方法比較,在離子液體[BMIM]PF6中制備的PBrT膜更致密、光滑,具有良好的可逆性和充放電能力,電活性高,熱穩(wěn)定性好。以該方法制備的PBrT膜顏色變化明顯,響應時間快。由于離子液體具有電位窗寬、導電率高、可循環(huán)利用等優(yōu)點,因此在電化學聚合等方面具有良好的應用前景。 第三章 離子液體中3-氯噻吩聚合物的電化學合成及其電色效應的研究 本章以1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體[BMIM]PF

8、6作為溶劑和支持電解質(zhì),用循環(huán)伏安法和恒電流法制備3-氯噻吩均聚物(PClT)及3-氯噻吩和3-甲基噻吩的共聚物P(ClT-co-MeT)。運用傅立葉變換紅外光譜法對聚合物膜的分子結構進行證實,并利用循環(huán)伏安法、紫外可見光譜法、循環(huán)電位掃描吸收法、計時安培法、計時電勢法和計時吸收響應曲線法對聚合物膜電化學和電致變色的特性進行表征。研究結果表明,共聚物比3-氯噻吩均聚物具有更可逆的氧化還原性質(zhì),更快的響應時間(0.9s),更高的對比度(2

9、6％)和更長的循環(huán)壽命(2300次)。 第四章離子液體中電化學合成高質(zhì)量的電致變色聚3-烷基噻吩衍生物 本章以室溫離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽[BMIM]PF6為溶劑及支持電解質(zhì)通過恒電流和循環(huán)伏安等方法制備聚3-甲基噻吩(PMeT)、聚3-己基噻吩(PHexT)和聚3-辛基噻吩(POcT)。并在[BMIM]PF6:CH3CN(1:1,v/v)溶液中通過紫外可見光譜、計時電流、計時庫侖以及計時吸收曲線等方法對

10、聚合物膜的光譜電化學和電致變色特性進行表征。PMeT、PHexT和POcT膜在還原狀態(tài)下為亮紅色、桔紅色和桔黃色,并能經(jīng)過電化學摻雜可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)榱了{色、藍色和黑藍色。實驗結果表明,三種聚合物膜具有高的顏色對比度(46％,45％和39％),較短的響應時間(1.1 s,1.4 s和1.9 s)和高的電致變色著色效率(250,220,230 cm2C-1)以及長的循環(huán)壽命。 第五章 PCIT/TiO2納米復合膜的制備及其電致變色性質(zhì)和

11、器件的研究 以室溫離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽[BMIM]PF6為溶劑和支持電解質(zhì),在納米多孔TiO2表面通過恒電流法制備聚(3-氯噻吩)(PClT)。通過光譜電化學以及動力學對該PClT/TiO2納米復合膜的電致變色特性進行表征,并在此基礎上制備該復合膜的電致變色器件。研究結果表明,該納米復合膜具有高的電致變色對比度、合理的響應時間、長的循環(huán)壽命以及良好的與基底粘附能力,且該復合膜制成的固態(tài)電致變色器件(ECD)具

12、有很好的電致變色性能和長的循環(huán)壽命,有望成為一種新型的具有應用前景的電致變色器件。 第六章 Ag/WO3納米復合膜制備及與聚3-烷基噻吩構筑電致變色器件的研究 通過真空鍍膜方法制備的納米Ag薄膜均勻致密,表面光滑。然后通過電化學方法在Ag納米薄膜上沉積一層三氧化鎢(WO3),制備納米Ag/WO3復合膜。并在此基礎上構筑五層式玻璃/ITO/納米Ag-WO3復合膜/固態(tài)電解質(zhì)/聚(3-甲基噻吩)/ITO/玻璃電致變色器件。實