平面刚性共轭聚合物大幅提升n型热电材料的稳定性

聚合物热电材料因其低毒性、质轻、柔性和可大面积加工等优势在可穿戴自供电器件方面具备很好的应用前景。聚合物在掺杂之后的电导率在决定聚合物材料的热电性能方面起到了关键作用。目前，p型聚合物的电导率已经超过1000 S cm^-1，相比之下，仅有几例n型聚合物的电导率超过1 S cm^-1。而高性能的热电器件同时需要p型与n型两种材料，这两种材料电导率的不均衡发展极大地限制了聚合物热电材料的实际应用。

另一方面，n型导电聚合物中往往含有大量有机自由基或自由基阴离子，它们很容易被空气中的水和氧气淬灭，造成性能的显著下降。降低聚合物的LUMO能级和利用厚膜的“自封装效应”是提升n型导电聚合物空气稳定性的有效方法。

近日，北京大学裴坚-王婕妤教授团队将上述策略应用于空气稳定的n型聚合物热电材料的设计与合成中。平面刚性的共轭聚合物不仅具有较强的分子间相互作用，同时在掺杂后可以实现更长的极化子离域长度，有利于载流子的链内传输。他们通过绿色高效的羟醛缩合反应连接两个缺电子片段，成功构筑了由碳碳双键桥联的刚性共轭聚合物LPPV。相比于应用传统的偶联反应构筑共轭聚合物，该方法不仅绿色高效，同时可以显著降低单体间的扭转角，提升扭转势垒，获得“刚性的共轭骨架”。骨架中的吸电子基团使得LPPV的LUMO能级低至-4.49 eV，预示着该聚合物较高的n掺杂效率和空气稳定性。

LPPV在掺杂后可以获得最高1.1 S cm^-1的电导率和1.96 μW m^-1 K^-2的功率因子。微米级（1-2.5 μm）的LPPV厚膜在空气中暴露76天后仍然可以保持0.6 S cm^-1的电导率，其功率因子在暴露空气中7天后仅有2%的衰减。LPPV是目前报道的最稳定的n型聚合物热电材料。该分子的设计策略为制备新的高性能共轭聚合物及聚合物热电材料提供了研究思路。

以上成果发表在Angewandte Chemie International Edition并被评为Very Important Paper（VIP）。论文的第一作者为北京大学化学与分子工程学院博士生卢阳。

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Rigid Coplanar Polymers for Stable n‐Type Polymer Thermoelectrics

Yang Lu, Zi‐Di Yu, Run‐Zhi Zhang, Ze‐Fan Yao, Hao‐Yang You, Li Jiang, Hio‐Ieng Un, Bo‐Wei Dong, Miao Xiong, Jie‐Yu Wang, Jian Pei

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 11390-11394, DOI: 10.1002/anie.201905835

导师介绍

裴坚

https://www.x-mol.com/university/faculty/8603

王婕妤

https://www.x-mol.com/university/faculty/68964