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34-乙撑二氧噻吩及其二聚体的电化学聚合性能研究

2022-03-27 来源:小奈知识网
第6期 Issue 6 江西科技师范大学学报 Journal of Jiangxi Science&Technology Normal University 2017年l2月 Dec.2O17 3,4一乙撑二氧噻吩及其二聚体的电化学聚合性能研究 康 欢 ,屈 凯 ,薛 婷 ,刘西梅l’ (1.江西科技师范大学药学院,江西南昌330013) 摘要:聚3,4一乙撑二氧噻吩(PEDOT)具有能隙低、电化学掺杂电位低、响应时间短、颜色变化对比度高、稳定性 好等优点,是目前罔际上有机电致变色材料的研究热点。本文设计合成了3,4一乙撑二氧噻吩二聚体(BisEDOT), 并分别研究了BisEDOT、3,4一乙撑二氧噻吩(EDOT)的电化学聚合性能,对二者性能进行了系统分析。实验结果表 明所得聚合物PEDOT和PbisEDOT均具有良好的电化学活性和稳定性。 关键词:导电聚合物:3,4一乙撑二氧噻吩:电化学聚合 中图分类号:0626.12 文献标识码:A 文章编号:1007—3558(2017)06—0022—06 The Research on Electrochemical Polymerization of 3,4-Ethylenedioxythiophene and Its Dimer Kang Huan ,Qu Kai ,Xue Ting ,Liu Ximei , (1.School of Pharmacy,Jiangxi Science&Technology Normal University, Nanchang 330013,Jiangxi,China) Abstract:In t his paper,3,4-ethylenedioxythiophene dimer(BisEDOT)was synthesized,and the electrochemical polymerization properties of BisEDOT and 3,4-ethylenedioxythiophene(EDOT)were studied and analyzed systematically. The experimental results show that the obtained polymers PEDOT and PbisEDOT have good electrochemical activity and stability. Key words:conducting polymer;3,4一ethylenedioxythiophene;electrochemical polymerization 一年,日本科学家白川英树(Shirakawa Hideki)和美 国科学家艾伦・马克迪尔米德(Alan G Macdiarmid)、 一、刖罱 导电聚合物材料是指具有共轭体系(主要是指 共轭盯键)结构的聚合物经过化学方法或电化学方 艾伦黑格(Alan J Heeger)首次推翻了“聚合物不导 电”这一观念_2_31.他们通过用碘掺杂聚乙炔薄膜证 法掺杂后形成的聚合物材料I11。在人们的传统意识 中,聚合物材料是不导电的,是良好的绝缘体,并且 广泛的应用于日常生活中,比如在普通的电缆中用 来保护金属导线防止短路的绝缘层塑料、不让潮湿 明聚合物并不是不导电的,测得其电导率高达103 S cm—l。这=三位为科学界做出重大突破的科学家也 荣获了2000年度的诺贝尔化学奖14]。自此,导电聚 合物开始广受欢迎,并且已经取得了重大突破,例 的空气和空气中的杂质对半导体元器件影响封端 材料的使用。在1977年。这个对科学界有重大意义的 如在电致变色,传感器,发光二极管等领域,而这些 都与导电聚合物的性能息息相关,它既具有高分子 收稿日期:2017—06—24 修回日期:2017-07—16 接受日期:2017—07—18 基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(编号GJJ160790)、江西科技师范大学校级科研项目(编号2016XJYB002)。 作者简介:康欢,女,本科,研究方向:有机功能聚合物的制备、性能及应用研究;屈凯,男,硕士研究生,研究方向:有机功能 聚合物的制备、性能及应用研究;薛婷,女,本科,研究方向:有机功能聚合物的制备、性能及应用研究; 刘西梅(通讯作者),女, 讲师,硕士,研究方向:杂环化合物的有机合成、聚合及应用,E—maihlxm5812@163.c0m。 2017年 康欢,屈凯,薛婷等:3,4一乙撑二氧噻吩及其二聚体的电化学聚合性能研究 23 材料的优点,又能够导电l5J。导电高分子已经成为一 门集材料科学、高分子化学、有机合成化学和物理 学等交叉渗透的新兴领域[2l。 材料的结构决定了材料的性能.导电聚合物特 合成导电聚合物膜;2)聚合单体量需要比较少;3)聚 合反应和掺杂过程同时发生:4)聚合产物不需要复 杂的分离过程,可以直接从电极上得到;5)聚合物 薄膜的厚度可通过电化学聚合进程施加的电量来 殊的结构,决定了它性能的特殊性:1)和一般的聚 合物材料相比,导电聚合物可以通过化学方法或电 化学掺杂的方法让其导电性能在导体和半导体之 间;2)导电聚合物具有大的耵电子共轭结构并且掺 杂与去掺杂过程可逆;3)拥有优良的物理化学性能, 譬如较高的电导率、可逆的氧化还原活性等;4)具 有金属特性,如具有颗粒或纤维结构等微观形貌。 基于导电聚合物特殊的性能。目前已经在有机光电 子电子器件、传感器(化学或电化学)、电化学催化 等多个领域展现出良好的应用前景网。 导电聚合物可以通过多种方法制备,可以分为 化学聚合和电化学聚合。化学聚合方法还分为直接 法和间接法,直接法是指聚合单体在催化剂作用下 直接获得预期的聚合物,其中包括加成聚合反应或 缩合反应。此方法操作简单,缺点是得到的聚合物 溶解性较差,反应过程中极易形成沉淀。终止反应, 很难得到高聚合度的产物并且加工成型较难。间接 法是先合成共聚前躯体(单体,最好是溶解性和可 加工性能较好),然后通过加成、消除或异构化反 应,获得聚合度较高的预期产物,但是此种方法的 缺点是在第二步反应中,已经生成的低聚物或高聚 物容易发生交联、自由基聚合等副反应,使生成的 聚合物具有较复杂的共轭链结构,电导率较低。 电化学方法是聚合单体在一定的电极电势或 电压作用下在电极表面直接发生聚合从而得到预 期聚合物。电化学聚合一般采用三电极体系:工作 电极、对电极和参比电极。电化学方法主要包括阳 极氧化法和阴极还原法,因为阴极还原法制备的聚 合物材料为掺杂并且导电性能较差.因而只用于阴 极防腐的研究中。故通常所说的电化学方法指的是 阳极氧化法。电化学聚合方法具有其他聚合方法不 具备的很多优势川:1)聚合单体能在电极上一步聚 调节;6)聚合反应所需聚合单体的量较少,而且聚合 过程无需添加催化剂或氧化剂;7)可以通过改变聚 合电位来控制聚合物薄膜的氧化还原态,因此电化 学聚合方法得到了广泛应用。此外,在电化学聚合 过程中。影响聚合物性能的因素较多,主要有聚合 单体浓度、温度、聚合电位、聚合体系的种类、支持电 解质种类等。经常使用的电化学聚合溶剂有二氯甲 烷、乙腈、硝基苯、苯腈等。 EDOT是由单环噻吩结构延伸到二环结构体系 的一类重要的噻吩衍生物,与单个噻吩环相比,由 于富电子的乙撑二氧六环连接到它的B位,能够有 效避免 一p和B—B交联反应,并且明显提高噻吩 环的电子云密度。这就使得EDOT偶联反应得到线 性的具有立体规整性的PEDOT.同时EDOT的 HOMO能级被提升,降低了EDOT的氧化聚合电位 和PEDOT的氧化掺杂电位。由于乙撑二氧六环比 碳环化的空间位阻要小,PEDOT的平面性和刚性都 更好。 特殊的结构赋予了PEDOT一系列优异的性 质——低的氧化电位、适中的带隙(Eg~1.6 eV)、掺杂 态下高的电导率(>550 S/cm)和光透过率(>80%), 良好的氧化还原活性和循环寿命,优异的光、热和 环境稳定性。而且,PEDOT还是少有的可以同时实 现p一型掺杂和n一型掺杂的材料,具有较宽的电位窗 口。而且,研究发现,经聚苯乙烯磺酸掺杂的PEDOT 呈各向异性。且晶相为无定形态。但将PEDOT薄膜 加热处理至200℃时,PEDOT的有序晶相数量增加 了,这与其他聚噻吩衍生物不同。再就是由于 PEDOT属于有机物。原材料来源广泛,可以通过多 种途径如改变单体分子中的原子、引入各种功能类 官能团到分子主链、EDOT和其他单体共同作为新 型高分子的构筑单元、改变掺杂的对离子类型等方 江西科技师范大学学报 第6期 面对其性能进行微观调控,从而实现其在光电子材 料领域的广泛应用。 二、实验部分 (一)实验试剂 3,4一乙撑二氧噻吩(分析纯),Sigma—Aldrich, USA;正丁基锂(分析纯98%),安耐吉化学;二氯甲 烷(分析纯99%),北京东方龙顺;石油醚(分析纯), 北京东方龙顺;丙酮(分析纯),西陇化工股份有限 公司;无水氯化铜(分析纯99%)百灵威化学;氘代 氯仿(分析纯99%),Cambridge Isotope Lab.Inc.;四氢 呋喃(分析纯99%),西陇化工股份有限公司;乙腈 (分析纯),西陇化工股份有限公司;使用前五氧化 二磷回流l小时后常压蒸馏后重蒸。 (二)仪器设备 DZF一6021型真空干燥箱,上海索谱仪器有限 公司;BX3300LHP超声波清洗器,上海新苗医疗器 械制造有限公司;CP213智能型高精度电子天平; BS224S电子天平,北京赛利多斯公司;DF一101S型 集热式恒温加热磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限 公司;C184462C带砂板层析柱,青岛海洋化工厂。 三、试验方法 3.1电化学聚合及电化学测试 电化学聚合及聚合物薄膜的测试均在一室三 电极体系。工作电极和对电极都是直径为1 mm的 铂丝,参比电极为Ag/AgC1电极(恒电位电解6 mol L-1盐酸,Ag丝为工作电极,时间为100 s,并且需 要用饱和甘汞电极进行校正.即Evs.SCE=Evs.Ag/ AgCl+0.23 V),在加电极之前要确保三电极相距0.5 cm。在每次电化学试验之前,铂丝电极都要用酒精 灯灼烧以去除电极表面有机物,若烧不干净的电极 电极则需要使用1500—2000目的砂纸仔细打磨。灼 烧后或者打磨后的电极还要依次用经过水、乙醇、 异丙醇冲洗处理再吹干,导电玻璃同样需要依次用 水、乙醇、丙酮冲洗,然后吹干。我们对聚合物进行 表征所采用的方法是恒电位法即在铂电极上使其形 成大量聚合物膜,这种方法可以通过对电量的流过 进而控制聚合物膜的厚度。沉积后的聚合物膜需要 用乙醚或二氯甲烷冲洗,除去聚合物中的电解质、单 体及低聚物。 3.2电解质溶液 本文中所提到的电解质溶液均为CH:Clz-Bu4NPF6 (0.1mol L )体系,在电化学试验之前,电解质溶液 都需要通惰性气体20分钟以除去体系中的氧气, 并且在试验过程中体系需要保持一定的惰性气体 氛围。 3.3 H—NMR或”C—NMR谱测试 取2—5 mg单体,用溶剂CDC13或者d6-DMSO溶 解,以TMS为内标检测其 HNMR或bCNMR。 四、EDOT及BisEDOT的合成、电化学聚合性能研究 4.1 EDOT的电化学聚合行为 4.1.1 EDOT的电化学聚合 单体EDOT在通电条件下经过链引发形成 EDOT. 。2个EDOT. ̄之间发生偶合脱去2个氢离子 形成二聚物,脱氢的二聚物再经引发形成阳离子自 由基并与其它阳离子自由基发生偶合使链增长,最 终得到长链的PEDOT聚合物.根据单体引发形成 阳离子自由基的条件.其聚合行为为电化学聚合。 4.1.2阳极极化曲线 I g c_) g \ ‘ E|V VS Ag/AgC1 图1 EDOT在CH2C12-BuaNPF6(0.1 mol L )中的阳极 极化曲线。电位扫描速率:20 mV/s。 2017年 康欢,屈凯,薛婷等:3,4一乙撑二氧噻吩及其二聚体的电化学聚合性能研究 25 本试验主要研究EDOT在含支持电解质Bu NPF (0.1 mol L )的二氯甲烷(CH:C1:)溶剂体系中的电 化学聚合过程。选择高单体浓度是因为在液体中物质 的扩散速度较慢,高浓度单体的电化学聚合实验在 其他离子液体中亦有报道。选择低扫描速率进行实验, 也是为了保证物质能够充分扩散。EDOT的起始氧 化过程,对应阳离子自由基EDOT.+的形成,在两种 CH2Cl 溶剂体系中的起始氧化电位(E一)都在1.23 V (以Ag/AgC1做参比电极)。这从EDOT单体在聚合体 系中的阳极极化曲线图(图1)中可以清楚地看出来。 4.1_3循环伏安曲线 嚣 毫 . E/V 1;S.Ag/AgCl 图2 EDOT在CH2C12-Btt,NPF610.1 tool L- )体系中的 循环伏安曲线。电位扫描速率:20 mV/s。 循环伏安法(CVs)既可以作为聚合物的制备方 法.用于动态聚合单体.又是重要的聚合物性质表 征手段,通过电流一电压曲线可以监测聚合物的氧 化还原过程.从而揭示中电子转移及聚合物电化学 活性等特征。从图2中可以看出来,在电位扫描的 第一圈,电位区间为1.2~1-3 V,我们可以观察到,聚 合物已经在成核[81。从纵坐标方向来看,峰电流密度 随着电位扫描圈数的增加逐步增强,聚合物在不断 地形成。另外,从横坐标方向来看,聚合物的氧化还 原峰电位也发生漂移,表明聚合物内部的电阻逐步 增大,需要外界更大的过电位才能克服聚合物的内 阻.实现电荷的传递。而氧化还原峰较宽的原因复 杂.一方面由于聚合物的链长分布较宽,还有生成 的低聚物以及夹在聚合物链之间的单体来不及扩 散并在电极上进行反应以及聚合物在单、双极化子、 金属态之间的相互转化。 4.1.4 EDOT共聚物薄膜氧化还原活性测试 为了进一步研究PEDOT的电化学活性和环境 稳定性,在空白体系(不包含单体)中对PEDOT包 覆的铂电极进行了循环伏安测试,如图3所示。聚 合物的电化学行为和先前所研究的其他导电聚合 物有类似的电化学现象,体系中所得的循环伏安曲 线均具有稳定、明显的氧化峰,还原峰,并且峰电流 与扫描速一定程度的线性关系(图3下图),表明氧 化还原过程可逆、不受扩散控制.并且电活性物质 和电极紧密相贴。经计算所得的氧化和还原峰电流 比值(jp,a/jp,c)表明PEDOT在离子液体中具有更 好的氧化还原可逆性。 晷 g .\ E/V VS.Ag/AgC1 t"q I c_) g 、 ’h、 E/V VS.Ag/AgC1 图3 PEDOT膜包覆的铂电极在不含单体的CH2Cl厂Bu4NPF6 (O.1 mol L- )中的循环伏安曲线,扫描速率从300 mV/s到25 mV/s。相邻两圈的循环伏安曲线扫描速率依次减少25 mV/s。 下图为峰电流与扫描速率的线性拟合关系图。 江西科技师范大学学报 第6期 4.2 BisEDOT单体的合成 一、O 厂0 \ 一 √ S ')n-BuLl THF,一78。C 2)CuCI2, 图4 BisEDOT的合成路线 3,4一乙烯二氧噻吩(5 g,0.035 too1)用150 mL精 制的四氢呋喃溶液做溶剂,一78℃下低温处理,用注 射器将28.5 mL的n—BuLi正己烷溶液(1.6 tool L ) 注射到恒压分液漏斗中,保持低温下反应2小时后 溶液变为乳白色浑浊液。2小时缓慢升温至0 o(三 C,并 在0 下搅拌30分钟后加入CuC1 (5 g,0.037 too1), 继续搅拌6小时。反应完全后过滤去除滤渣,将混 合液倒人冰水浴中,二氯甲烷萃取三次,把有机层 接出,然后饱和碳酸氢钠洗一次,水洗三次,有机层 用无水硫酸镁干燥,把二氯甲烷旋蒸出去后重结晶 后得3.65 g白色固体,产率73%。 H NMR(400 MHz,CDC13);8 6.25(S,2H),4-31-4.28(t,4H J=3 Hz),4.21-4.19(t,4H,J=4Hz). 4.3 BisEDOT的电化学聚合行为 4.3.1阳极极化曲线 I 暑 童 . E/V VS.Ag/AgCl 图5 BisEDOT在CH2ClrBu4NPF6(0.1 mol L )中的 阳极极化曲线。电位扫描速率:20 mV/s BisEDOT的起始氧化电位为0.68 V,这个值低 于EDOT单体的起始氧化电位,可能是由于仃共轭 程度的增大,低电位下有利于电化学聚合,可产生 更高质量的聚合物薄膜。 4.3.2循环伏安曲线 c,l l g 0 g \ E i V VS.Ag/AgC1 图6 BisEDOT在CH2CI2-Bu4NPF6(O.1 mol L )体系中的 循环伏安曲线。电位扫描速率:20 mV/s I 量 0 g \ ‘ E/V VS。Ag/AgC1 c、 l g 0 g \ ’ E|V VS Ag/AgC1 图7 BisEDOT聚合物膜包覆的铂电极在不含单体的CH C12- Bu4NP (0.1 toolL- )中的循环伏安曲线,扫描速率从300mV/s 到25 mV/s。相邻两囤的循环伏安曲线扫描速率依次减少 50 mV/s。下图为峰电流与扫描速率的线性拟合关系图。 2017年 康欢,屈凯 薛婷等:3,4一乙撑二氧噻吩及其二聚体的电化学聚合性能研究 27 BisEDOT单体的电化学聚合行为通过循环伏 安的方法进行测试,如图6所示。BisEDOT单体具 有EDOT导电聚合物的聚合相似特征,并且经过多 圈循环之后。在电极表面有灰/黑色膜生成。单体的 宽的氧化还原峰可能是由于起始单体宽的链长分 布,尤其是对BisEDOT单体而言,其氧化还原峰更 明显。随着扫描的进行,峰电流与扫描速率呈现的 线性关系表明电极表面电活性聚合物膜的增加。 4-3.3 BisEDOT共聚物薄膜氧化还原活性测试 图7为BisEDOT聚合物膜在不含单体的对照 体系中扫描得的不同电压扫描速率下的循环伏安 曲线(CVs)。膜的CVs图能够根据其走向判断单体 的聚合情况解释其聚合物的性能。图7上图为 PbisEDOT膜的CVs,随着不同扫描速率下循环伏安 曲线的连续扫描,PbisEDOT在施加电压的情况下重 复被氧化和被还原,仍然保持着原有的氧化还原活 性。0.3 V和一0.5 V处我们可以观察到就是氧化还 原峰,而且峰的电流密度和扫描速率呈现线性关系, 如图7下插图示。由此可得出PbisEDOT膜具有良 好的电化学活性和稳定性且该过程不受扩散控制。 三、结论 本文通过对聚合物(PbisEDOT)与PEDOT的表 征和性能测试表明所得共聚物PEDOT和PbisEDOT 均具有良好的电化学活性和稳定性。PEDOT和 PbisEDOT的电化学性能的研究,为新型高性能导电 聚合物材料的发展提供了新发现,推动PEDOT及 其衍生物在导电高分子领域更广泛的应用。 参考文献: 【1】钱人元.导电高聚物的分子设计问题.高分子通报,1991, (2):65-71. 【2]Skotheim,T A.Elsembaumer,R L.Reynolds,J R.Handbook of Conducting Polymer,second edition.New York:Marcel Dekker,1998. 【3]Bemier,P.Lefrant,S.Bidan,G.Advances in Synthetic Metals:Twenty Years of Progress in Science and Technology. 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