北京大学雷霆课题组在高分子热电材料研究中取得新进展

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高分子材料凭借其低毒、质轻、可大面积溶液加工和柔性等特点在光电、能量转换及储能器件等领域具有广阔的应用前景。其中，有机热电材料作为一种可以直接将热能和电能相互转换的能量转换材料逐渐引起了人们的广泛关注。获得高效且性能相当的p型和n型热电材料是构筑高效率热电器件的必要条件。在有机热电材料领域，p-型共轭高分子（例如PEDOT）已表现出接近无机热电材料的高热电优值（ZT > 0.4），这主要得益于这类材料的高电导率（> 1000 S cm^-1）和高功率因子（> 300 μW m^-1 K^-2）。相比之下，只有少数n-型共轭高分子的电导率接近或略超过1 S cm^-1，且功率因子一般低于10 μW m^-1 K^-2。

近几年，随着各种性能优异的组成共轭聚合物的结构单元的出现，D-A型共轭聚合物的载流子迁移率有了显著的提升。其中，吡咯并吡咯二酮（DPP）是一类受到广泛关注的结构单元，目前文献报道的基于DPP的D-A型共轭聚合物已表现出超过5 cm² V^-1 s^-1的电子迁移率，该值甚至优于目前高性能的p型共轭聚合物的空穴迁移率（如PEDOT、PBTTT等的空穴迁移率约为1 cm² V^-1 s^-1）。然而，n型掺杂的DPP类共轭聚合物的电导率通常较低（0.1~1 S cm^-1），这主要是由这类聚合物较低的n型掺杂效率导致的。

图1. 构象锁定的共轭聚合物P(PzDPP-CT2)

基于以上研究背景，雷霆课题组设计并合成了一种新型的吡嗪基吡咯并吡咯二酮（PzDPP）结构单元。在目前文献所报道的DPP结构单元中，PzDPP具有最低的LUMO能级。通过将PzDPP和缺电子的3,3’-二氰基-2,2’-联二噻吩结构单元聚合，得到了一个新的D-A型共轭高分子P(PzDPP-CT2)。该聚合物表现出构象锁定的共平面骨架结构及低至−4.03 eV的LUMO能级，低的LUMO能级有利于提高该聚合物的n型掺杂效率。经n-型掺杂剂掺杂后，高分子P(PzDPP-CT2)表现出高达8.4 S cm^-1的电导率及57.3 μW m^-1 K^-2的功率因子。该电导率明显优于目前文献报道的n-型掺杂的D-A型共轭聚合物的电导率，该功率因子也是目前可溶液加工的n型高分子热电材料的最高值之一。

图2. 基于聚合物P(PzDPP-CT2)的柔性热电器件示意图

相关工作发表在《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.9b10107).

博士后严新稳和博士研究生熊苗是该论文的共同第一作者，雷霆研究员是通讯作者。合作者包括北京大学化学院的王婕妤副教授和美国南密西西比大学的顾小丹教授。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b10107 

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