导电高分子

导电高分子材料PEDOT的一种合成路线

导电高分子材料具有导电性能和高分子材料的特性，因此在许多领域有着广泛的应用，如柔性电子器件、聚合物太阳能电池、电子纸等。PEDOT（聚3,4-乙烯二氧噻吩）是一种常见的导电高分子材料，具有优异的导电性能和稳定性，因此被广泛应用于电子材料领域。本文将介绍PEDOT的一种合成路线，通过对PEDOT的合成路线进行研究，可以更好地理解其结构和性能，为其在电子材料领域的应用提供更多可能性。

一、导电高分子材料PEDOT概述

PEDOT是一种聚合物材料，具有良好的导电性能和化学稳定性，在柔性电子器件、聚合物太阳能电池等领域有着重要应用。PEDOT的合成方法多种多样，可以通过化学氧化、电化学氧化等途径合成。其中，化学氧化法是一种简单、高效的合成PEDOT的方法，下面将详细介绍通过化学氧化法合成PEDOT的一种合成路线。

二、PEDOT的化学氧化合成路线

1.原料准备

在合成PEDOT的过程中，需要准备3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）和氧化剂作为原料。EDOT是合成PEDOT的单体，可以通过化学合成的方法得到。而氧化剂可以选择过硫酸铵等常见氧化剂。

2.单体聚合

将EDOT和氧化剂按一定的摩尔比加入溶剂中，如甲醇或乙醇中，使用机械搅拌或超声波处理均匀混合，然后在常温下反应一定时间。在反应过程中，单体EDOT会发生聚合反应，逐渐形成聚合物PEDOT。

3.固化处理

将反应得到的PEDOT溶液进行固化处理，通常的方法是通过真空干燥或加热处理，使其形成固态的PEDOT。固态PEDOT具有较好的导电性能和稳定性，可以应用于各类电子器件中。

三、PEDOT合成路线的优劣势分析

1.优势

（1）简单高效：化学氧化法合成PEDOT的方法操作简单，且反应时间较短，能够高效得到目标产物。

（2）产率高：采用适当的反应条件和催化剂，可以获得较高的PEDOT产率。

（3）适用范围广：该合成路线适用于不同规模的实验室和生产环境中，能够满足不同需求。

概念：具有共轭π键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其有绝缘体变为导体。

导电高分子特点主要是：一，接近于金属的高电导率，且变化范围大；二，在溶液或干燥的环境下能显示出良好的耐腐蚀性；三，由液相沉积，因而有良好的形态学（morphology）性质。应用：微孔沉积和薄膜技术 电极材料 微波材料 分析化学催化 气体和生物传感器

电致变色显示器件 人造肌肉。

本征型（结构型）：以共轭聚合物为代表的具有固有导电性的高分子，具有分子轨道强烈离域和分子轨道相互重叠的特点。共轭链中的π电子数越多，电子活化能越低，导电性越强。 (1) 芳香类，如聚芳香胺、聚苯乙烯； (2) 苯类，如聚对苯撑； (3) 非苯类，如聚1

8-二氨基萘、聚1-氨基蒽（如图1）等； (4) 杂环化合物，如聚吡咯类、聚噻吩类、聚吲哚类等。分为离子型和电子型。

复合型（掺杂型） ：本身不具有导电性，以普通的 绝缘体聚合物为主基质，对其进行掺杂， 掺入导电物质的高分子制成。 掺杂： 1、化学和电化学p-掺杂。2、化学和电化学n-掺杂。3、光掺杂。4、电荷注入掺杂。5、非氧化还原掺杂。

导电高分子内部结构的三种情况：（1）一部分导电颗粒完全连续的相互接触形成电流通路，相当于电流流过的电阻。（2）一部分导电颗粒不完全连续接触，其中不相互接触的导电颗粒之间由于隧道效应而形成电流通路，相当于一个电阻与一个电容并联后再与电阻串联的情况。（3）一部分导电粒子完全不连续，导电颗粒间的聚合物隔离层较厚，是电的绝缘层，相当于电容器的效应。 在实际应用中，为了使导电填料用量接近理论值，必须使导电颗粒充分分散。若导电颗粒分散不均匀，或在加工中发生颗粒凝聚，则即使达到临界值（渗滤阈值），无限网链也不会形成。

聚乙炔： 在低温下 价带中的电子不能越过能隙而激发到导带中去 当温度达到相变温度时 热能使电子越过能隙 导带中出现了电子 价带中留下了空穴 电子和空穴在链中运动而成了导体。由于聚乙炔能隙很大 (约 1. 5eV)

苯胺简介及结构

聚苯胺是一种具有金属光泽的粉末，因分子内具有大的线型共轭π电子体系，其自由电子可随意迁移和传递，而成为最具代表性的有机半导体材料。与其他导电聚合物相比，聚苯胺具有结构多样化、耐氧化和耐热性好等特点，同时还具有特殊的掺杂机制。

MacDiarmid 重新开发聚苯胺后,在固体13C-NMR及IR研究的基础上提出聚苯胺是一种头尾连接的线性聚合物,由苯环-醌环交替结构所组成,但这种结构和后来出现的大量实验数据相矛盾。1987年,MacDiarmid进一步提出了后来被广泛接受的苯式-醌式结构单元共存的模型,两种结构单元通过氧化还原反应相互转化。

即本征态聚苯胺由还原单元:

和氧化单元: 构成,其结构为:

其中y值用于表征聚苯胺的氧化还原程度,不同的y值对应于不同的结构、组分和颜色及电导率,完全还原型(y=1)和完全氧化型(y=0)都为绝缘体。在0

聚苯胺的导电原理

物质的导电过程是载流子 (电子、离子等带电粒子) 在电场作用下定向移动的过程。通常认为, 高分子聚合物导电必须具备两个条件:一是要能产生足够数量的载流子, 二是大分子链内和链间要能够形成导电通道。

纯的聚苯胺是绝缘体, 要使它变为导体需要掺杂, 就是掺入少量其他元素或化合物。0

y仍代表还原程度。

向聚苯胺中掺入质子酸是一种有效的掺杂方式, 但是使用普通有机酸及无机弱酸获得的掺杂产物电导率不高, 必须用酸性较强的质子酸 (如H2SO4、H3PO4、HBr和HCl) 作掺杂剂才可得到电导率较高的掺杂态聚苯胺, 盐酸是最常用的无机掺杂酸。实验表明, 掺杂后电导率可提高大约10个数量级。

聚苯胺的合成

聚苯胺可通过电化学方法和化学法制备得到。

聚苯胺的电化学合成：电化学法制备聚苯胺是在含苯胺的电解质溶液中,选择适当的电化学条件,使苯胺在阳极上发生氧化聚合反应,生成粘附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末。电化学方法合成的聚苯胺纯度高,反应条件简单且易于控制。但电化学法只适宜于合成小批量的聚苯胺。苯胺的电化学聚合方法有动电位扫描法、恒电流聚合、恒电位法以及脉冲极化法。

导电高分子的发展与现状

高分子导电材料：一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性和超导电性）、电导率在10S／m以上的聚合物材料。

高分子导电材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。

高分子材料长期以来被作为优良的电绝缘体，直至1977年，日本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属导电的性质，电导率达到10S/m。这是第一个导电的高分子材料。以后，相继开发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等能导电的高分子材料。

“导电高分子材料具有良好的导电性和电化学可逆性，可用作充电电池的电极材料。利用Ppy制作的可充电电池，经300次充放电循环后，效率无下降，已达到商业应用价值。导电性高聚物在太阳能电池上的应用也引起了广泛的关注，美国科学家Jeskocheim利用聚吡咯和聚氧化乙烯固态电介质膜试制了光电池，可产生1mA/cm2的电流，0.35V的电压。尽管这种光电池目前还不如Si太阳能电池，但由于导电聚合物重量较轻、易成形、工艺简单，并能生成大面积膜，具有绿色环保的特点，因而发展前景十分诱人。导电高分子材料还是制作超级电容器的理想材料。如采用掺杂后的聚吡咯高分子化合物，电导率高达100 S/cm，频率特征非常出色，尤其在高频区的特性与以前电容器相比有很大改善。

导电高分子复合材料的研究工作主要有：

① 复合材料导电机理的理论研究、特殊效应机理的理论研究；

② 用不同方法研制新材料的实验研究；

③ 材料应用的实验研究.

导电高分子复合材料导电机理的理论研究工作通常又包括导电通路的形成和形成导电通路后的导电机理两方面.前者研究的是加入聚合物基体中的导电功能体在给定的加工工艺条件下，如何达到电接触而在整体上自发地形成导电通路这一宏观自组织过程；后者则主要涉及导电通路或部分导电通路形成后载流子迁移的微观过程.显然，无论是宏观过程还是微观过程，它们都受到复合体系的几何拓扑、热力学和动力学等多种因素的制约.因此，导电高分子复合材料的理论研究工作一方面呈现多样性、复杂性，另一方面又与实验结果之间存在着不同程度的差异，而且许多理论结果往往不具有普适性.新材料的实验研究工作采用的主要方法有：组分改造(改变基体种类、改变导电功能体种类)；整体或组分物性改造(磁化、接枝、热处理、结晶、浸渍)；结构改造(板状、叠层、发泡)；导电功能体形状改造(粒状、球状、中空状、纤维状)等.应用研究则包括根据应用条件和具体要求解决各种实际问题的理论和实验研究。