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科学家一锅法制备出高导电n型聚合物

文章来源：中国科学报更新时间：2022-09-15 15:14:12

本报讯（记者朱汉斌通讯员卢庆雷）近日，《自然》发表了一项研究，华南理工大学黄飞教授、曹镛院士、马於光院士与南方科技大学和北京大学的团队合作，提出了一种将氧化聚合和还原掺杂相结合的方法，通过一锅法简易制备出高导电n型聚合物——聚苯并二呋喃二酮（PBFDO）。该聚合物具有创纪录的电导率，并且具有优异的空气稳定性，在无须额外的侧链或表面活性剂的情况下可以通过与溶剂的强相互作用实现良好的溶解性和溶液加工性。

此外，黄飞团队证明了在该聚合物中存在相干电荷输运以及类似金属的泡利磁矩和电磁屏蔽等特性。该材料在n型有机电化学晶体管和热电发电机器件中展现出优异的性能，从而为这种n型导电高分子在有机电子学中的应用铺平了道路。

导电聚合物已经在太阳能电池、传感器和一些显示技术中得到了广泛应用。但目前已报道的绝大部分高性能导电聚合物展现出空穴占主导的传输特性（p型），而n型导电聚合物的发展远远落后，主要表现为掺杂效率较低以及稳定性较差。

为了实现高性能的n型导电聚合物，黄飞及其团队经过对聚合反应以及掺杂进程精心设计，利用醌类氧化剂可逆的氧化还原特性，在以四甲基苯醌为氧化剂的条件下，首先利用氧化反应实现苯并二呋喃二酮前驱体的脱氢聚合。随着聚合程度的提高，生成聚合物的最低未占据轨道（LUMO）能级会显著降低，而生成的四甲基氢醌又具有一定的还原性，从而在氧化聚合过程中同步实现对聚合物的还原性n型掺杂。

此外，带电的共轭骨架和溶剂之间的强相互作用使无侧链的PBFDO具有良好的溶解性。基于其超高的n型电导率和优良的环境稳定性，PBFDO在热电器件和有机电化学晶体管的应用上展示了良好的应用前景，有望通过进一步的工艺改进实现市场化应用。

据了解，目前，用于制备高导电率n型聚合物的单体高纯度苯并二呋喃二酮已在企业实现批量生产和销售。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05295-8

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