[发明专利]异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩及其合成方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于材料、化学技术领域，具体涉及一类异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩及合成方法和用途。

背景技术

导电高分子材料，也可称作导电聚合物，是一类具有高度π键共轭聚合物链的高分子材料。其既具备金属与半导体的电化学性质，又具备有机大分子的机械性能。1977年美国Alan J.Heeger、Alan G.MacDiarmid和日本白川英树三位科学家发现晶态聚乙炔具有明显的导电性，共同获得了2000年诺贝尔化学奖。近30年来，导电聚合物作为一类新型功能材料已广泛引起了化学家和物理学家的重视与兴趣，也成为国内外高分子化工领域的前沿研究课题。目前又相继研发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚噻吩、聚苯胺、聚对苯撑乙烯、聚酞菁类化合物等导电高分子材料。

聚噻吩(PTh)是一种具有类似芳香环结构的导电高分子材料，有较好的环境稳定性、较小的尺寸、易于制备、掺杂后具有较高的导电性和发光性能。其导电能力可以从绝缘到接近金属范围内调控，导电率可以达到10^-8～10²S/cm，并且经过加工还可以赋予材料较好的电学、光学及力学等特性。因此PTh已广泛应用于不同领域，如薄膜晶体管，电池，抗静电涂料，电磁屏蔽，人工肌肉，发光二极管，气体和生物传感器，燃料和太阳能电池，填料和防腐蚀涂料等。

无取代聚噻吩是一种不溶不熔的高分子，虽然经过掺杂有较高的导电率，但加工性能普遍比较差，因而并未得到广泛的应用。与其它导电高分子材料相比，取代聚噻吩衍生物具有较高导电率与稳定性、较好的溶解性。烷基取代聚噻吩衍生物在一般有机溶剂中具有较高的溶解度，是因为在噻吩的3-位上引入烷基后削弱了聚噻吩分子链间的相互作用。随着烷基链的增大，溶解性能增大，但导电率减小，当烷基为-CH₃、-C₂H₅时导电率达10²S/cm。

近年来一些新型取代基聚噻吩导电高分子材料，已逐渐达到实用阶段。但具有手性取代基、羧酸或者羧酸酯基等取代基的聚噻吩的应用实例还比较有限。同时，在应用过程中出现的一系列问题，对聚噻吩的性能提出了新的技术需求，如聚合物纯度的提高，制膜与制作发光器件的加工技术要求等，因此新合成方法的应用、材料改性并提高或赋予新的性能，将促进聚噻吩类导电聚合物显示出更强的竞争力，从而满足各种高技术领域的需求。

然而，由于传统导电聚合物的电化学掺杂度较低且衰减较快，致使其能量密度与循环稳定性难于满足应用要求。

发明内容

本发明目的在于克服目前现有聚噻吩(PTh)存在导电率较低、电化学掺杂度较低且衰减较快、充放电比容量较低、充放电效率较低，溶解性与加工性能较差、致使其能量密度与循环稳定性难于满足应用要求的问题，提供一种含有异氮杂茚氧化氮自由基基团的聚噻吩导电材料及其制备方法和用途，从而获得一类具有高电化学氧化还原活性、高功率密度、长循环寿命、良好的溶解与加工性能，且在储能密度与资源环境效益等方面更具应用优势的自由基聚合物材料。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一类异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩，其具有以下结构式：

其中，R₁代表仲胺基原子、苯基、烯丙基、或者丁二烯基等共轭基团；

R₂、R₃、R₄分别代表

H，

-R₅，-OR₆，-NR₇R₈，或者-NHR₉；R₅、R₆、R₇、R₈、R₉分别代表氢原子、烷基、芳基或者是带有一个或多个羟基、烷氧基、芳基或芳氧基的烷基，n为自然数。

一种异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩，其具有以下结构式：

n为自然数。

一种异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩，其具有以下结构式：

n为自然数。

一种异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩，其具有以下结构式：

n为自然数。

一种异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩，其具有以下结构式：

n为自然数。

上述的异氮杂茚氧化氮自由基改性聚噻吩的合成方法，包括以下步骤：