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导电聚噻吩的应用[应用科学]

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发表时间:2022-01-24 19:09作者:李骥

[关键词] 聚噻吩 化学聚合 电化学聚合 应用

中图分类号:TB3    文献标识码:A    文章编号:1671-7597(2009)0220124-01


自 1977 年白川英树等科学家发现聚乙炔薄膜经电子受体(I, AsF5 等)掺杂后具有类似金属的导电性,从而打破了有机聚合物都是绝缘体的传统观念之后,多种导电聚合物不断地被合成出来。代表性品种有聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚对苯撑乙烯、聚对苯等。

聚噻吩是其中一种很重要的导电高分子,由于具有高的电导率、良好的环境稳定性以及易于调控的分子链结构等特点,一直都受到研究者的广泛关注。本文就聚噻吩的一些应用进行详细综述。


一、金属防腐涂层

导电聚合物用在金属防腐性能的研究由来已久。聚苯胺、聚吡咯是较早得到开发应用的防腐材料。聚噻吩由于有良好的稳定性,因此近年来在金属防腐的研究上也引起了人们的关注。以金属棒为工作电极在其上电化学沉积一层聚吡咯膜。然后再以此修饰电极作为工作电极,电化学沉积上聚噻吩膜。得到的聚吡咯/聚噻吩的复合膜表面非常致密,能够有效地阻止腐蚀溶液进入涂层中,更好地对金属进行保护。在 3.5%的 NaCl 溶液中,该复合膜起到了很好的阳极保护作用,其腐蚀速度是未涂层的 1/25[1]。


二、光电器件

聚噻吩在可见光范围内表现出很高的吸收性能,并且有着良好的环境稳定性,使其在光电器件如光伏电池方面的应用令人关注。电化学沉积法是制备导电高分子为主要基质材料的有效的方法。首先用电化学法使噻吩在 ITO 和 FTO 玻璃电极上成膜构成电池的正极然后再与另一个电极(金属负极)相连便构成了一个光伏电池的最基本结构。除了使用聚噻吩一种物质作为电池的基质材料外,通常也使用聚噻吩的复合材料来改善电池的性能或者是制备多层膜的光伏电池。光电转化效率(IPCE)表征光伏电池性能的一个重要参数,电化学法制备的 FTO/PTh/Al 电池的 IPCE 在 620nm 处最大(5%)[2],这对于单层膜的光伏电池来说是一个不错的转化效率。但是由双层膜TThP/PTh 组成的电池的转化效率达到了 32%(在 440nm 处)[3],比单层膜高出许多。对于光伏电池来说,短路电流强度(JSC)、开路电位(V∝)、填充因素(FF)和功率转化效率(η e)也是很重要的性能参数。

光伏电池的η e 远比 IPCE 低,这是因为聚噻吩虽然是导电高分子,但它的电阻还是相对比较大。此外,电极与聚噻吩膜界面之间的电阻较大也是一个原因。多层膜结构的聚噻吩或者聚噻吩复合膜电池的η e 与 JSC 比单层聚噻吩膜的电池相比大得多,这也是今后制备高性能聚噻吩光伏电池的一个发展方向。这类聚噻吩光伏电池的稳定性相当好,例如 ITO/(TThP/PTh)/Pt 电池在室温下放置 6 个月后仍能够保持其初始性能变化不大[3]。

(一)传感探测电极。

聚噻吩由于其良好的电性能,使其在传感器上也有许多应用。用电化学方法使噻吩在 ITO 电极上成膜,掺杂后可制得氨气传感器[4]。在不同温度下,将聚噻吩膜置于各种气体环境中检测发现,该聚噻吩膜对 NH3 的敏感性远远大于其它几种气体。这不仅可以检测出 NH3 的含量,也能很简单地将 NH3 与其它的几种气体区分开来。此外,在不同温度下薄膜对 NH3 的敏感性也差别很大,温度越低敏感性越高。聚噻吩薄膜的这些性质将会使其有一定的应用前景。若使用聚噻吩复合膜[5],对氨气的敏感性更高,由于该敏感膜与被吸收的气体分之间的作用力很弱,属于氢键或范德华力的范畴。因此,将吸收气体后的传感膜放置于高纯度的 N2 中便可以使所吸附的氨气分子脱离,从而使传感性能完全恢复,显示出相当好的重复使用性。此外,该传感膜对其它一些气体的敏感性远不如对氨气的高,因此该敏感膜具有优良的选择性。

除了气体传感器之外,聚噻吩修饰电极在检测金属离子方面也表现出良好的性能。最新研究报道,一种由电化学法得到的聚噻吩/铂电极对银离子有相当高的敏感性。该修饰电极能够检测溶液中浓度低达 0.06mg·L-1 的银离子[6],并且有很好的循环使用性。此外,通过在不同离子溶液中的检测发现该修饰电极还有很好的选择性,易于区分对银离子和其它离子的吸收。因此用它来检测水溶液中银离子时,可以避免其它金属离子的干扰。该修饰电极还拥有良好的耐久性能,能够进行 2 周不间断的检测。

(二)催化剂载体。

甲酸燃料电池由于有较高的开路电位,因此在电子器件和微电子器件方面展现出良好的特性。它在应用时需要使用 Pt 或其它一些贵金属作为电极进行电活性催化,然而反应中出现的中间产物通常会吸附在电极表面,使催化剂失效。这一催化剂中毒现象是一个很严重的问题。用聚噻吩作为催化剂载体,可有效地避免催化剂中毒的问题。其做法是:将 Pt 金属粒子加入到溶解有噻吩单体的电解中,通过电化学氧化法在 ITO 玻璃电极上积极一层聚噻吩膜,而 Pt 粒子则均匀分散在聚噻吩膜之中。用此修饰电极对甲酸进行电催化,发生氧化反应,既避免了催化剂中毒的问题,而且催化效果也很好[7]。这是由于 Pt 金属粒子能够非常均匀地分散在聚噻吩膜中,稳定性很好,所以其催化性能也得以提高。


三、结束语

导电聚噻吩经过多年的研究,不断取得了进展。例如,聚噻吩传感器、聚噻吩光伏电池、聚噻吩防腐涂层等材料都展示出优越的性能。然而,在实际应用的过程中还面临着许多问题,例如光电器件的作用机理还未完全弄清楚,光伏电池的效率较低,器件稳定性还不够好,寿命差等。但是可以相信,随着研究的不断深入,对聚噻吩结构和性能关系的取得更深入的认识,并且通过将各种合成方法与高分子化学、物理学、电化学、材料学、光学等领域相结合,定能大幅度提高聚噻吩材料的性能,而其应用前景也将更加广阔。


参考文献:

[1] T ü ken T,Yazici B, Erbil M. The use of polythiophene for mild steel protection[J].Progress in Organic Coatings, 2004,51:205-212.

[2] Valaski R,Canestraro C D, Micaroni L,et al. Organic photovoltaic devices based on polythiophene films electrodeposited on FTO substrates[J].Solar Energy Materials &Solar Cells,2007,91:684-688.

[3] Takechi K,Shiga T,Motohiro T,et al.Solar cells using iodine-doped polythiopheneporphyrin   polymer   films[J].Solar   Energy   Materials   &Solar Cells,2006,90:1322-1330.

[4] Sakurai Y,Jung H S,Shimanouchi T,et al.Novel array-type gas sensors using conducting polymers and their performance for gas identification[J].Sensors and Actuators B,2002,83:270-275.

[5] Ma X F,Li G,Xu H Z,et al. Preparation of polythiophene composite film by in situ polymerization at room temperature and its gas response studies[J].Thin Solid Films,2006,515:2700-2704.

[6] Zejli H, Temsamani K R, Rodriguez I N,et al.Stripping voltammetry of silver ions at polythiophene-modified platinum electrodes[J].Talanta,2007,71:1594-1598.

[7] Selvaraj V, Alagar M, Hamerton I. Nanocatalysts impregnated polythiophene electrodes for the electrooxidation of formic acid[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 73: 172-179.


文章分类: 高分子科学
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