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

1、導(dǎo)電聚合物是近年來電化學(xué)研究的熱點(diǎn)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(dǎo)電性,較高的電化學(xué)活性,較好的電致變色性能以及多方面的應(yīng)用前景而在導(dǎo)電聚合物研究領(lǐng)域中占有重要的地位。聚合物一般采用化學(xué)方法和電化學(xué)方法合成。與化學(xué)方法相比,電化學(xué)聚合法具有摻雜過程可以定量控制,所得產(chǎn)物可進(jìn)行可逆的氧化還原反應(yīng),以及制備聚合物膜質(zhì)地均勻等優(yōu)點(diǎn)。 離子液體與傳統(tǒng)溶劑相比,有其獨(dú)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(dǎo)率高、酸堿性可調(diào)、具有很大的電位窗(4V)等。同時(shí)離子液體又是理想的電化學(xué)介質(zhì)材料,能溶解很多有機(jī)物、無機(jī)物,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,所以離子液體可望用做電化學(xué)聚合的介質(zhì)。Rogers等在2003年Science上預(yù)言在未來的十年間離子液體將在許多應(yīng)用領(lǐng)域中取代傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑,甚至應(yīng)用在傳統(tǒng)溶劑不能應(yīng)用的領(lǐng)域中。然而導(dǎo)電聚合物電化學(xué)聚合及電致變色方面的研究一般是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行的,在離子液體中的報(bào)道尚少,因此在離子液體中

3、采用電化學(xué)方法合成導(dǎo)電聚合物具有較好的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。 電致變色材料是目前最有應(yīng)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(diǎn)。導(dǎo)電聚合物作為一類重要的電致變色材料具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如成本低、韌性佳、加工性能好,光學(xué)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(jié)構(gòu)改善變色性能。共聚是一種提高

4、電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的有效手段,同時(shí)也可以對(duì)聚合物的電致變色的性質(zhì)加以調(diào)控。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米復(fù)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(xué)方法制備噻吩衍生物的均聚、共聚及納米復(fù)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(duì)膜的性質(zhì)進(jìn)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(jì)時(shí)安培法、計(jì)時(shí)電勢(shì)法和計(jì)時(shí)吸收響應(yīng)曲線法對(duì)膜的電化

5、學(xué)和電致變色的特性進(jìn)行表征,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)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(dǎo)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(xué)中的應(yīng)用；介紹了導(dǎo)電聚合物的制備、性能表征方法和它的應(yīng)用前景。對(duì)電致變色的種類及性能進(jìn)行了概述。介紹了電致變色器件的制備、結(jié)構(gòu)及工作原理并詳細(xì)地闡述了它的應(yīng)用及前景。 第二章 離子液

6、體中聚(3-溴噻吩)的電化學(xué)合成和電色效應(yīng)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(duì)PBrT膜的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)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(jì)時(shí)電流和計(jì)時(shí)吸收曲線研究該聚合膜電化學(xué)和電致變色的

7、特性。研究結(jié)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(yīng)時(shí)間快。由于離子液體具有電位窗寬、導(dǎo)電率高、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn),因此在電化學(xué)聚合等方面具有良好的應(yīng)用前景。 第三章 離子液體中3-氯噻吩聚合物的電化學(xué)合成及其電色效應(yīng)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(yùn)用傅立葉變換紅外光譜法對(duì)聚合物膜的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行證實(shí),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(jì)時(shí)安培法、計(jì)時(shí)電勢(shì)法和計(jì)時(shí)吸收響應(yīng)曲線法對(duì)聚合物膜電化學(xué)和電致變色的特性進(jìn)行表征。研究結(jié)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(yīng)時(shí)間(0.9s),更高的對(duì)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(xué)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(jì)時(shí)電流、計(jì)時(shí)庫侖以及計(jì)時(shí)吸收曲線等方法對(duì)

10、聚合物膜的光譜電化學(xué)和電致變色特性進(jìn)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(xué)摻雜可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)榱了{(lán)色、藍(lán)色和黑藍(lán)色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,三種聚合物膜具有高的顏色對(duì)比度(46％,45％和39％),較短的響應(yīng)時(shí)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(fù)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(xué)以及動(dòng)力學(xué)對(duì)該P(yáng)ClT/TiO2納米復(fù)合膜的電致變色特性進(jìn)行表征,并在此基礎(chǔ)上制備該復(fù)合膜的電致變色器件。研究結(jié)果表明,該納米復(fù)合膜具有高的電致變色對(duì)比度、合理的響應(yīng)時(shí)間、長的循環(huán)壽命以及良好的與基底粘附能力,且該復(fù)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(yīng)用前景的電致變色器件。 第六章 Ag/WO3納米復(fù)合膜制備及與聚3-烷基噻吩構(gòu)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(xué)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(fù)合膜。并在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑五層式玻璃/ITO/納米Ag-WO3復(fù)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(shí)