导电高分子

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导电高分子材料

导电高分子材料
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什么是导电高分子的掺杂呢?
纯净的导电聚合物本身并不导电,必须经过掺 杂才具备导电性
掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来 从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别 的一种处理过程
导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不 同
导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比
目前掺杂的方式主要有两种 :
氧化还原掺杂 :可通过化学或电化学手段来实现 。化学 掺杂会受到磁场的影响
遗憾的是目前为止还没有发现外加磁场对聚合物的室温电 导率有明显的影响
质子酸掺杂 :一般通过化学反应来完成,近年发现也可 通过光诱导施放质子的方法来完成
还有掺杂—脱掺杂—再掺杂的反复处理方法,这种掺杂方 法可以得到比一般方法更高的电导率和聚合物稳定性
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导电机理与结构特征
④π价电子 两个成键原子中p电子相互重叠后产生 π键,构成π键的电子称为π价电子。当π电子孤立 存在时这种电子具有有限离域性,电子在两个原 子之间可以在较大范围内移动。当两个π键通过一 个σ键连接时,π电子可以在两个π键之间移动,这 种分子结构称为共轭π键。
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导电机理与结构特征
利用导电高分子与金属线圈当电极,半导体高分子在中间,当两电 极接上电源时,半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡更节省能源 而且产生较少的热,具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息标志等。
导电高分子材料的应用
半导体特性的应用-太阳能电池
导电高分子可制成太阳电池,结 构与发光二极管相近,但机制却相反 ,它是将光能转换成电能。 优势在于 廉价的制备成本,迅速的制备工艺, 具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性 。
导电高分子材料的应用
导体特性的应用
抗静电 理想的电磁屏蔽材料,可以应用在计算机、电视机、起搏器等 电磁波遮蔽涂布 能够吸收微波,因此可以做隐身飞机的涂料 防蚀涂料 能够防腐蚀,可以用在火箭、船舶、石油管道等

导电高分子

导电高分子

. 氧化
I2
A
阳离子自由基(极化子)
还原
Li
Li+
阴离子自由基(极化子)
p-型导电体 n-型导电体
导电聚合物掺杂的特点
b) 从物理角度看,掺杂是反离子嵌入的过程, 即为了保持电中性,掺杂伴随着阳离子/阴 离子进入高聚物体系,同时,反离子也可以 脱离高聚物链 — 脱掺杂。
c) 掺杂和脱掺杂是一个可逆过程,这在二次电 池的应用上极为重要;
CH
CH
AlEt 3/Ti(OBu) 4 Toluene
CH CH n
电化学聚合:聚吡咯 Poly(Pyrrole)
阳极氧化
自由基偶合
-e N
. N
H
H
脱质子 - H+
H N N H
H N N H
Poly(Pyrrole)
5、研究导电聚合物的意义
a) 理论意义 导电聚乙炔的发现从结构上在高分子与 金属之间架起了一座桥梁。
特点:制备简单、成本较低
4. 导电高分子的特点
石英
金刚烷
导电聚合物
未经掺杂
经掺杂
Pt
PE Si
Ge
Bi Cu
石墨
10-18 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 10 102 104 106
(S/cm)
几种材料电导率的比较
属于分子导电物质(金属导电体:金属晶体导电物质) 通过掺杂,电导率变化范围宽广(10-9~105 S/cm) 具有颗粒或纤维结构的微观形貌。颗粒或纤维本身具 有金属特性,而它被绝缘的空气所隔绝,成为“导电 孤岛” 具有良好的物理、化学特性:较高的室温电导率、可 逆的氧化-还原特性、掺杂时伴随颜色变化、大的三阶 非线性光学系数等。

导电高分子材料

导电高分子材料

导电高分子材料引言导电高分子材料是一类具有导电性能的高分子材料,通常通过将一定量的导电剂与高分子基体进行混合来实现。

导电高分子材料具有许多独特的性能和应用,因此在电子学、能源技术、催化剂等领域有着广泛的应用和巨大的发展潜力。

1. 导电机制导电高分子材料的导电性能主要来源于导电剂的存在。

常见的导电剂包括金属粉末、碳纳米管、导电聚合物等。

这些导电剂在高分子基体中形成导电网络,使得材料能够传导电流。

导电高分子材料的导电性能与导电剂的种类、含量、分散性以及高分子基体的性质密切相关。

2. 特殊性能与应用导电高分子材料具有许多特殊的性能,使得其在多个领域具有广泛的应用。

2.1 电子学领域导电高分子材料在电子学领域有着重要的应用,例如导电高分子材料可以用于制备有机导电薄膜晶体管(OFET),用于构建柔性显示器、智能传感器和可穿戴设备等。

导电高分子材料不仅具有良好的导电性能,还具有优秀的可拉伸性和柔韧性,能够适应各种复杂的电子设备形状。

2.2 能源技术领域导电高分子材料在能源技术领域也有广泛的应用。

例如,导电高分子材料可以用于制备柔性太阳能电池,用于光电转换、能源收集和储存等。

导电高分子材料具有较高的导电性能和光吸收性能,可以有效提高太阳能电池的能量转换效率。

2.3 催化剂领域导电高分子材料还可以作为催化剂载体,用于催化剂的载体和固定。

导电高分子材料具有较大的比表面积和多孔结构,能够提供更多的活性位点和催化反应的接触面积,从而提高催化剂的反应效率和稳定性。

3. 导电高分子材料的制备方法导电高分子材料的制备方法多种多样,常见的制备方法包括物理共混法、化学共混法、原位聚合法等。

其中,物理共混法是将导电剂和高分子基体通过物理混合来制备导电高分子材料,适用于一些导电剂与高分子基体相容性较好的体系;化学共混法是通过化学反应将导电剂与高分子基体结合,适用于一些导电剂与高分子基体相容性较差的体系;原位聚合法是在高分子合成过程中引入导电剂,使导电剂与高分子基体同时合成。

导电高分子材料通用课件

导电高分子材料通用课件
性。
加工性能
要点一
总结词
加工性能是导电高分子材料的另一个重要性能参数,它决 定了材料在加工过程中的可加工性和加工效果。
要点二
详细描述
加工性能包括材料的熔融流动性、热稳定性、可塑性和延 展性等。良好的加工性能能够保证导电高分子材料在加工 过程中具有良好的可加工性和加工效果,从而提高材料的 实用性和生产效率。
导电高分子材料通用课件
目 录
• 导电高分子材料的导电机理 • 导电高分子材料的制备方法 • 导电高分子材料的性能参数 • 导电高分子材料的发展趋势与挑战
目 录
• 导电高分子材料在新能源领域的应 • 导电高分子材料在智能材料与器件
01
CATALOGUE
导电高分子材料简介
导电高分子材料的定义
总结词
详细描述
聚合物共混法是通过将导电高分子材料与非 导电高分子材料混合,制备成复合材料的方 法。这种方法可以充分利用各种高分子材料 的优点,制备出性能优异的复合材料,但需 要解决相容性问题,以保证良好的导电性能。
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CATALOGUE
导电高分子材料的性能参数
电导 率
总结词
电导率是导电高分子材料最重要的性 能参数之一,它决定了材料的导电能 力和效率。
物理掺杂法
总结词
通过物理方式将导电物质掺入高分子材料中, 使其获得导电性能的方法。
详细描述
物理掺杂法是一种简单易行的方法,通过将 导电物质如碳黑、石墨烯、金属纳米颗粒等 掺入高分子材料中,使其获得导电性能。这 种方法工艺简单,成本低,但导电性能受掺 杂物质种类和含量影响较大。
聚合物共混法
总结词
将导电高分子材料与非导电高分子材料混合, 形成具有导电性能的复合材料的方法。

导电高分子

导电高分子

(1)碳黑填充型导电高分 子是一种最常见的材料,是因为 其碳黑价格低廉且导电性稳定持 久。导电碳黑的主要品种有乙炔 碳黑、导电炉黑、超导电炉黑和 特导电炉黑等。 碳黑型导电高分子材料已 广泛应用于很多领域:电视膜 制唱片;导电泡沫、导电薄膜、 导电高分子多孔体、静电显影 粉可用于集成电路、场效应管、 晶体管电子原器件的静电防护; 在高压电缆、通讯电缆领域可 用于半导体层,以缓和导线表 面的电位梯度,防止静电。
中文名称:导电高分子 英文名称:conductive polymer 定义:主链具有共轭主电子体系,可通 过掺杂达到导电态,电导率达103 S/cm 以上的高分子材料。
艾伦· 马 白川 G· 克迪尔米 英树 德
艾伦· 黑 J· 格
2000年10月10日瑞典皇 家科学院将化学最高荣 誉授予美国加利福尼亚 大学物理学家艾伦· 黑 J· 格 ,宾夕法尼亚大学化 学家艾伦· 马克迪尔米 G· 德 和日本筑波大学化学 家Hideki shirakawa(白 川英树)
塑 胶 片 材
固 态 电 容 器
防 腐 涂 料 吸波涂料 防 静 电 涂 料
导电膜
Hale Waihona Puke 导 电 高 分 子 的 分 类
自1977年第一个导电高分子聚 乙炔(PAC)发现以来,在导电聚合物 的合成、结构、导电机理、性能、 应用等方面已取得很大进展。从导 电机理的角度看,导电高分子大致 可分为两大类: (1)复合型导电高分子材料
(2)结构型导电高分子材料
复合型导电高分子材料
复合型导电高分子材料是指在 高分子基体中添加导电型物质(碳 黑、碳纤维、金属粉末、薄片、金 属丝、涂金属的玻璃球和丝)通过 分散复合、层集复合等方式制成, 其制造容易,现已商品化。

导电高分子

导电高分子

什么是导电高分子的掺杂呢?
• 纯净的导电聚合物本身并不导电,必须经过掺
杂才具备导电性
• 掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来
从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别 的一种处理过程
• 导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不

导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比
无机半导体中的掺杂
本质是原子的替代
• 导电聚合物除了具有高分子聚合物的一般
的结构特点外还含有一价的对阴离子(P型 掺杂)或对阳离子(N型掺杂) • 导电聚合物最引人注目的一个特点是其电 导率可以在绝缘体—半导体—金属态 (10-9到105s/cm)较宽的范围里变化。这 是目前其他材料所无法比拟的
导电高分子的主要类型:
• 除了最早的聚乙炔(PA)外,主要有聚吡
电致伸缩效应 微触动器
• 以聚乙炔、聚苯胺膜为正极,锂为负极,高氯酸
锂的碳酸丙烯脂(PC)溶液为电解质的电池的 研究已经较为成熟 • 正在研究固体电解质的全塑性电池,如全塑聚乙 炔电池 (CH)x |PEO--NaI| (CH)x,它以p型掺杂的聚 乙炔为阳极,以n型掺杂的聚乙炔为阴极构成 • 已经实现商品化的:Li-Al(-)/LiBF4在聚碳酸 酯(PC)+DME(二甲氧基乙烷)(电解液)/ PAn(+)的箔型聚合物二次电池,有3V级池电压、 3mAh容量、千次以上的充放电寿命和可长期保 存等特点,可期用于不需维护的电源
• 目前为止发现的导电高分子仍属于半导体的范畴, • • • •
而未能到到真正的金属态 具有低能带能隙的导电高分子是实现“合成金属” 的重要途径 在1984年Wudl等合成了聚苯并噻吩,其能带能 隙只有1eV 杂环芳香族高分子的电导率往往高于非杂环芳香 族的高分子。聚合物链的取向程度的提高也会大 大的提高其取向方向的电导率 1987年,Basescu等合成了高取向度的聚乙炔, 用碘掺杂后其电导率高达2*105S/cm,是目前 所知道的电导率最高的导电聚合物之一

导电高分子的特征

导电高分子的特征

导电高分子的特征导电高分子材料,即具有导电能力的高分子材料,其特征分别从以下几个方面来描述。

1. 导电性能好导电高分子的最大特征就是其导电性能好,通常具有较高的电导率,可以满足不同领域和应用的需求。

导电高分子的导电性能取决于材料种类、浓度、形态,以及电场强度等因素。

越高的浓度和接触面积,导电性越好。

但由于高分子的本质特性,导电高分子起伏极大,电子迁移重合体固有的难度,使得导电高分子的导电性相对于传统金属材料仍存在一定的限制,需要进一步进行研究和发展。

2. 抗氧化性能强因为导电高分子需在复杂环境下工作,所以要求材料本身具有很强的抗氧化性能,能够承受高温、化学腐蚀和电化学反应等多种恶劣环境条件。

抗氧化能力强的高分子可以有效保障其稳定性和性能的持久性,同时能够延长使用的寿命。

3. 高耐磨性由于导电高分子材料的高导电性,其需要在实际工作中承受较大磨损和强度冲击,因此必须具备高耐磨性。

合适的高分子材料可以增强其抗磨损性能,例如选用高分子中的有机-无机纳米材料,将具有体积小、强硬度、高反应性等优势,能够有效提升耐磨性能。

4. 可塑性好高分子主要由碳、氢、氧等非金属元素组成,相较于钢铁等传统金属更加柔韧和可塑。

导电高分子可以以特定的方式处理和改变其材料结构,可塑性好使得材料具有较高的可造性和设计性,能够更好地满足特定应用的需求。

5. 易加工、成型导电高分子的材料本质决定了其加工性能良好。

相较于传统金属材料更易于成形和加工。

制造导电高分子件可以使用成型、注塑、压差、挤出等多种方式,且成本相对较低,因此找到合适的导电高分子材料的利用成本相对比较实惠。

综上所述,导电高分子材料结构复杂多样,具有导电性能好、抗氧化性能强、高耐磨性、可塑性好和易加工性等特点,适用于各种领域和应用需求中。

虽然导电高分子在一些方面有着局限性,但伴随着科技、设计和工程技术的不断发展,导电高分子材料还有极大的创新和发展空间。

导电高分子在作为电极材料方面的应用

导电高分子在作为电极材料方面的应用
导电高分子在作为电极材料 方面的应用
• 导电高分子简介 • 导电高分子在电极材料中的应用 • 导电高分子电极材料的性能优势
• 导电高分子电极材料的应用前景 • 导电高分子电极材料的挑战与展望
01
导电高分子简介
导电高分子定义
01
导电高分子是指具有高导电性能 的高分子材料,其导电性能通常 通过掺杂或化学结构的设计来实 现。
在其他领域的应用
总结词
详细描述
导电高分子在其他领域的应用包括电磁屏蔽、 电致变色器件、电致动器件等。
导电高分子可以吸收和反射电磁波,具有优 异的电磁屏蔽效果;同时也可以在电场的作 用下发生颜色变化,用于显示器件和传感器 的制作;此外,导电高分子还可以用作驱动 器材料,具有响应速度快、驱动力大等优点。
易于加工和制造
总结词
导电高分子电极材料易于加工和制造,能够实现规模化生产,降低成本。
详细描述
导电高分子电极材料具有良好的加工性能,可以通过溶液涂布、静电纺丝、熔融挤出等方式制备成薄 膜、纤维或三维多孔结构等不同形貌的电极材料。这种易于加工和制造的特点使得导电高分子电极材 料在实际应用中具有较大的优势和潜力。
性。
在电极材料中,这些导电高分子 可以与其他活性物质复合使用, 提高电极材料的性能和稳定性。
这些导电高分子电极材料在微型 电池、柔性电池和植入式医疗设 备等领域具有广泛的应用前景。
03
导电高分子电极材料的性能优势
良好的导电性能
总结词
导电高分子电极材料具有良好的导电性能,能够快速传输电荷,降低电阻,提 高电化学反应效率。
03
总结词
导电高分子电极材料的规 模化制备是实现其广泛应 用的重要前提。
详细描述
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光掺杂(Photo-Doping) When trans-(CH)x for example, is exposed to radiation of energy greater than its band gap, electrons are promoted across the gap and the polymer undergoes ªphoto-dopingº. Under appropriate experimental conditions, spectroscopic signatures characteristic of, for example, solitons can be observed
• p-Doping can also be accomplished by electrochemical anodic oxidation by immersing a trans-(CH)x film in, for example, a solution of LiClO4 dissolved in propylene carbonate and attaching it to the positive terminal of a DC (direct current) power source, the negative terminal being attached to an electrode also immersed in the solution.
导电高分子 Conducting Polymers
董常明 上海交通大学化学化工学院 高分子科学与工程系419室
Tel: 54748916(O) Email: cmdong@
Nobel Prize in Chemistry 2000 Electrically Conductive Plastic
Comparison of chemical and electrochemical CP polymerization
Synthesis of PA using Ziegler–Natta catalysts
Fig. 15. Polymerization of acetylene at various temperatures using Ziegler–Natta catalysts (trialkylaluminum reagents mixed with titanium alkoxides/ Ti(O-n-C4H9)4/(C2H5)3Al).
Synthetic methods of conducting polymers
• Conducting polymers are categorized as the cationic and anionic salts of highly conjugated polymers. Whereas the cation salts are obtained by chemical oxidation and electrochemical polymerization, it is also possible to produce the anion salts of the highly conjugated polymers using electrochemical reduction or chemical reduction with reagents such as sodium naphthalide. • An oxidized conducting polymer has electrons removed from the backbone, resulting in a cationic radical. On the other hand, a reduced conducting polymer has electrons added to the backbone, resulting in an anionic radical. However, this reduced conducting polymer is much less stable than thecation counterpart. • In general, there are two synthetic methods of conducting polymers: chemical polymerization and electrochemical polymeri 脱掺杂态所对应的颜色变化
导电高分子的导电原理
掺杂(Doping)
• 导电聚合物的共轭链上每单体单元对应的对离子数称为掺杂浓度。对 几种常见的导电聚合物,聚乙炔的掺杂浓度为0.1—0.2,聚吡咯和聚噻 吩为0.25—0.35,聚苯胺为0.4—0.5。

导电聚合物的掺杂结构涉及对离子的掺杂。但更一般地,只要有电荷 入共轭聚合物主链,都可以称为掺杂(doping)。导电聚合物的掺杂可 过给体或受体的电荷转移、电化学氧化还原、界面电荷注入等手段来 现。 可见-近红外吸收光谱是判断导电聚合物掺杂状态的有效手段,掺杂导 电态在近红外区有较强的吸收,脱掺杂后的本征态则近红外区吸收消 从共轭聚合物中性本征态的紫外-可见吸收光谱可计算其禁带宽度,常 见共轭聚合物本征态的禁带宽度(E)为1.8—3.0 eV。


图. 聚吡咯的可见-近红外吸收光谱:a. 掺杂态; b. 本征态
化学掺杂:化学掺杂包括p 型掺杂和n 型掺杂两种。 • p 型掺杂
• n 型掺杂
电化学掺杂 • 电化学掺杂是通过电化学反应实现导电聚合物的掺杂。许多共轭聚合 物在高电位区可发生电化学p 型掺杂/脱掺杂(氧化/再还原) 过程,在低 电位区又可发生电化学n 型掺杂/脱掺杂(还原/再氧化) 过程。 • 但有些导电聚合物(如聚吡咯、聚苯胺等) 因其发生n 型掺杂的电位太 低(< - 3.0 V vs. SCE) 而无法观察到n 型掺杂/脱掺杂反应。
典型的导电高分子
导电高分子的性能
• 导电高分子室温电导率可在绝缘体-半导体-金属态范围内(10-9S/cm - 105S/ cm ) 变化。这是迄今为止任何材料无法比拟的。

导电高聚物电导率覆盖范围
• 导电高分子在掺杂-脱掺杂的过程中伴随着完全可逆的颜色变化。 • 聚苯胺从- 0. 2 至+ 0. 8V 氧化-还原过程伴随着发生淡黄- 蓝色- 紫色的变
极化子理论
聚苯的极化子和双极化子 (a) 基态A;(b)基态B; (C)极化子;(d)双极化
能带理
电子聚合物能带结构示意图 (a) 孤子能带; (C)极化子能带;(d)双极化子能
Fig. 4. The valence-effective Hamiltonian band structure evolution of PPy (top) and PT (bottom) upon doping. PPy (top): (A) undoped and (B) intermediate doping level. Formation of non-interacting bipolarons at 0.45 eV above the valence band (VB) and 0.9 eV below the conductive band (CB). (C) 33% doping level: Formation of bipolaron bands with width of 0.25 eV. (D) 100% doping level per monomer. Merging of bipolaron bands with VB and CB. Note the decrease in band gap from 4 to 1.4 eV.
酸掺杂
孤子理论(SSH)
W. P. Su, J. R. Sebrieffer, A. J. Heeger, Phys. Rev. Lett. 1979, 42, 1698.
反式聚乙炔孤子结构图
(a) 基态A;(b)基态B; (C)二基态的结合部位;(d)键长逐步过渡; (e)相对于等距离原子核排布的原子核位移服从Tanh函数。
• 导电高分子:由具有共轭π键的高分子,经化学或电化学“掺杂”使其由 绝缘体转变为(半)导体的一类高分子材料。 • 导电高分子的结构特征:由有高分子链结构和与链非键合的一价对阴离 子(p-型掺杂)或对阳离子(n-型掺杂)共同组成。 • 导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属(高电导率)和半导体(p-和 n-型) 的特性之外,还具有高分子的可分子设计结构多样化,可加工和比 重轻的特点。
Fig. 5. Introduction of polaron and bipolaron lattice deformation upon oxidation (p-type doping) in heterocyclic polymers. X = S, N, or O. A polaron or radical cation is introduced into the conjugated backbone after the loss of an electron. When oxidation of the same segment of the conjugated backbone occurs the unpaired electron of the polaron is lost and a dication (i.e., bipolaron) is formed.
界面电荷注入掺杂 在聚合物半导体器件, 如聚合物发光二极管 (LED) 和聚合物场效应管(FET ) 中,在电场的作用下电荷可以直接从金属电极通过接触界面注入共轭聚合物, 成共轭聚合物的电荷“掺杂”,空穴注入共轭聚合物的价带形成p 型掺杂,电子 入共轭聚合物的导带形成n 型掺杂。这种掺杂与前面提到的化学掺杂和电化学 杂有所不同,这里没有对离子。
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