导电聚合物,或更准确地说,内在导电聚合物(ICPs)是能导电的有机聚合物。这些化合物可能拥有金属的导电性,或是顷向半导体。导电聚合物的主要优势在于它们便于加工,尤其是在分散方面。尽管导电聚合物一般不是热塑性材料,但它们仍然是有机材料,能提供高电导率,却不具备其他商业聚合物类似的机械特性。这些聚合物的电性能可以透过有机合成的方法及进阶的分散技术进行微调。
导电聚合物的历史可以追溯到19世纪。中期,亨利·莱斯比首次描述了聚苯胺,他研究了苯胺在酸性介质中的电化学和化学氧化生成物。他注意到还原形式是无色的,但氧化后的形式则呈深蓝色。
“这一发现标志着有机物质在传导电流方面的潜力。”
随着时间的推移,科学家们发现了更高导电性的有机化合物,特别是在20世纪。 1950年代,研究人员报告了多环芳香化合物与卵氟素形成半导体性质的电荷转移复合盐。 1954年,贝尔实验室的研究人员报告了电阻值低至8 Ω·cm的有机电荷转移复合物。随着对这些化合物的进一步研究,导电聚合物的潜力逐步显现出来,而在1977年,阿兰·J·希格和他的团队则因发现氧化碘掺杂的聚乙炔的高导电性能而获得2000年诺贝尔化学奖。
导电聚合物可以通过多种方法合成。其中最常用的方法是氧化偶联反应。一些专家为了提高聚合物的溶解性会在单体上添加可溶化功能团,或者通过形成纳米结构来解决低溶解性问题。化学合成和电化学(共)聚合是两种主要的合成方法。
“电化学聚合的优势在于产品的高纯度,但通常只能一次合成少量产品。”
这些聚合物的导电性来自某些物理过程,在传统聚合物如聚乙烯中,价电子固定在sp3混合的共价键中,运动性不高。而在导电聚合物中,其主链的碳原子是连续的sp2混合。一旦经过氧化掺杂,这些材料的导电性会有显著提升。
导电聚合物在许多领域显示出潜力,如抗静电材料、商业显示器和电池等应用。此外,它们还有望在有机太阳能电池、印刷电子电路、有机发光二极管等方面发挥重要作用。特别是自1980年代末以来,有机发光二极管(OLEDs)成为这些材料的重要应用之一。
近年来,对有机发光二极管和有机聚合物太阳能电池的重视程度越来越高。导电聚合物的新型纳米结构形式也为这一领域的发展注入更多可能性,并逐渐被更多的应用所接受。
这些聚合物在未来可能会带来哪些创新应用呢?