基于咔唑单元有机共轭半导体材料的制备及其性能研究

发布时间：2020-05-10 08:21

【摘要】：共轭聚合物半导体材料既具有金属、半导体的电化学和光学性能,又能保留传统聚合物材料的机械性能和加工性能,同时还可以方便地利用分子设计对化学结构进行改变或者修饰来调控和改善其物理和化学性能,体现出无机材料无法比拟的优势。自从1977年Shirakawa、MacDiarmid和Heeger发现导电聚乙烯以来,共轭聚合物半导体材料研究工作全面开展,逐渐形成了包括共轭聚合物设计与合成、共轭聚合物光电功能材料、共轭聚合物光催化水制氢、共轭聚合物锂电的性能研究领域。本文通过在2,7-咔唑分别引入苯并噻二唑和单氟取代苯并噻二唑,研究了氟元子的引入对聚合物半导体材料光催化水制氢性能的影响;芘与三聚咔唑和2,7-咔唑分别结合,研究了新型电子给体单元三聚咔唑对聚合物半导体材料光催化水制氢性能的影响;三苯胺与三聚咔唑和2,7-咔唑结合,研究了高共轭和富氮单元三聚咔唑对聚合物半导体材料锂电正极性能的影响,主要结论如下:1.通过使用来自咔唑基和两种苯并噻二唑单体的Suzuki-Miyaura交叉偶联化学合成了两个共轭线性聚合物网络。探索了聚合物CZ-BT和CZ-FBT用于从水中光催化产生氢气。基于由咔唑和单氟取代苯并噻二唑单元组成的共轭聚合物,研究了氟取代对光学带隙和光催化剂工艺的影响。对比这两种聚合物,表明氟取代略微改变了共轭结构,增强了电离势,并导致了紫外吸收的轻微的蓝移和催化性能的提升。我们还观察到单氟取代可以大大提高催化材料的载流子迁移率。这些观察表明,基于氟取代的开发的共聚物可能是有机催化剂的有希望的策略。2.在Suzuki-Miyaura偶联反应下合成了两种基于三聚咔唑,芘和咔唑单体的共轭聚合物半导体,并研究了用于光催化水析出氢的性能。研究了聚合物对光学性质和光催化活性性能的影响。UV-vis吸收光谱表明包含TAT-PY的共聚物相对于CZ-PY的轻微红移。与CZ-PY相比,聚合物TAT-PY在紫外可见光照射下显示出4.5μmol~(-1)的较高的析氢速率,这可能是由于高度共轭,更好的平面性。3.通过使用两种咔唑单元和三苯胺单体的Suzuki-Miyaura交叉偶联化学合成了两种共轭多孔有机聚合物网络。通过与TPA-CZ相比,构建了内置的氧化还原活性位点和高度共轭骨架,探索了聚合物TPA-TAT的可再充电锂电池的能量存储。具有高自由基密度结构的TPA-TAT首先被用作正极材料,并呈现两个平台,容量为68mAhg~(-1)。而且,经过1000个循环后,TPA-TAT的放电容量仍然高于TPA-CZ的初始容量。紫外可见光谱和EIS测试表明TPA-TAT聚合物体内的电荷迁移比TPA-CZ更平滑,这可能归因于密集自由基位点和高度共轭结构。与TPA-CZ相比,TPA-TAT改进的电化学性能表明它是设计和制备高自由基密度正极的有效策略。
【图文】：

图 1-1：光催化水制氢能源利用系统1. Schematic diagram of photocatalytic hydrogen generahydrogen energy system. 型 TiO2电极上水的光电化学分解发现氢析出能光催化水分解产生氢的技术被认为是解决法之一[13]。因此，半导体光催化剂的发展已经在过去的 40 年中，报道了许多光催化剂在紫高的光催化活性，并将水分解成 H2和 O2摩包括 La 掺杂的 N（aSr, La, KLa）TaO3[14-17]和得注意的是 NiO / NaTaO3: La 光催化剂，最高是 270nm，达到 56％的外量子效率[14]。显然仅在紫外线照射下才有活性。对太阳光而言，一小部分（约 4％），而可见光则更为丰富（

能（如图 1-6）。电化学储能装置通常由阳极，阴极，组成。在放电期间，在电极处发生电化学反应，产生流电子;在充电期间，，电极上的外部电压被施加，从而驱子和反应的移动。根据可充电电池可分为铅酸，锌空气钠硫，氯化钠，锂离子电池（LIBs）。超级电容器的原和伪电容电荷存储模式。前者类似于物理介电电容器，极和电解质之间界面处的电荷分离，后者是涉及电化学的快速 Faradaic 过程。超级电容器的电极材料主要包括氧化物和导电聚合物。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O644.1;TQ116.2

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本文编号：2657023