杂环共轭导电高分子，指在共扼体系内含有杂环的导电高分子，其与其他种类的高分子导电相比有特殊之处。导电高分子是通过在高分子中间掺杂阴阳离子对，形成p-n结构，起到类似金属或者半导体的导电作用。比起传统的聚乙炔等导电高分子，杂环高分子也是可以通过共轭效应来导电，不过由于其化学稳定性较好，且有独特的光导等性质，在新能源、传感、电致变色等领域有着较大的应用前景。本文主要简要介绍聚噻吩、聚吡咯、聚呋喃及相关导电杂环聚合物的性质与应用。

聚噻吩、聚吡咯和聚呋喃

杂环共轭聚合物导电主要是由于共轭的π键能够形成离域体系，π上的电子可以在两个共轭π键之间移动，在电场作用下可以进行局部定向移动形成电流。不过一般的导电聚合物导带和价带之间的能级差较大，一般需要掺杂来改变能级，缩小半充满能带，在产生大量载流子的同时能够缩小能级差。掺杂的方法主要有物理掺杂和化学掺杂两种,物理掺杂主要是离子注人法掺杂化学掺杂包括气相掺杂、液相掺杂及电化学掺杂等。应用最广泛的是化学掺杂法,其特点是简单易行,有利于了解掺杂前后高分子材料的结构与性能变化。一般可以通过加入氧化剂（形成p型掺杂）或者加入还原剂（形成n型掺杂），或者加入其它无机离子来实施。比较常见的掺杂剂有碘单质和三价铁化合物。除此之外，电化学掺杂时间短、效率高,并且高分子材料的合成与掺杂同时进行,易于得到具有导电性的高分子薄膜。

电子轨道示意图

合成方法

合成杂环导电聚合物可以采用化学合成法或者电化学合成法。化学合成法是用传统的高分子化学合成方法进行制备主链共扼的芳杂环导电高分子。该法在酸性介质中采用氧化剂使聚合物单体氧化聚合。由于杂化有一定的还原性，故不能用过强的氧化剂进行引发。Fe3+是一种比较不错的选择。电化学合成法包括恒电位法、恒电流法、动电位扫描法及脉冲极化法等,该法采用电极电位为聚合反应的驱动力,在电极表面进行聚合反应并直接生成高分子。该方法条件相对简单，在室温下以水作为溶剂就可以实现。

另外，相比杂环寡聚物，如果单体分子中存在稠环的话，分子会具有更好的刚性和共平面性，更有利于载流子的传输，载流子浓度可以到达1cm^2/(V·s)以上。因此制备有机光伏器件的时候可以加入一些呋喃的稠环衍生物以提高导电性能。当然，如果刚性过高，其溶解性和加工性会有所下降，可以通过接枝引入侧基或者与树脂共聚的方法改善。

一种聚吡咯的合成方法

呋喃、噻吩类导电性能对比

杂环共轭高聚物应用广泛，如果分子量较小，可以用来制备光敏染料电池。用 π-共轭桥将给体和受体连接起来, 一方面可以起到保持D-A小分子或共聚物共平面性的作用, 另一方面可以减少由溶解性烷基链引起的分子扭曲. π-共轭桥的引入还可以起到调节能级、光吸收和电荷传输性质的作用. 各种芳香性基团如苯、吡咯、呋喃、噻吩和硒吩等已经广泛被用于有机染料中。这些染料在光照下可以激发出p-n结，形成染料敏化太阳能电池。

如果分子量较高，可以制备出聚合物太阳能电池薄膜。此时可以在聚合物中引入卟啉，提高电子之间的相互作用。质量轻、柔韧性好、易加工是这种薄膜的优点。特别是通过掺杂处理可在较大范围内调节其导电性,这使其在电池电极、传感器、电容器、电磁屏蔽、隐身涂层及金属腐蚀防护等领域具有广阔的应用前景,从而成为研究的热点。

6种不同侧基修饰的聚噻吩的热重分析测试结果

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撰写人：邱震铎

审阅人：陈嘉伟 朱鑫国 曾志宏 童永仲