导电聚合物.ppt

1、引子,D,STS问题 STS=science technology society(科学（Science）、技术（Technology）、社会（Society） (2001,江浙)11具有单双键交替长链（如： ）的高分子有可能成为导电塑料。2000年诺贝尔（Nobel）化学奖即授予开辟此领域的3位科学家。下列高分子中可能成为导电塑料的是( ) A .聚乙烯 B聚丁二烯 C聚苯乙烯 D聚乙炔,（2011预测）瑞典皇家科学院10月5日宣布：将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的开创性研究。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料

2、，作为半导体材料硅的替代品，将用来生产未来的超级量子计算机，将引发微电子工业革命。 我们知道物质的导电性取决于其是否自由离子或自由电子，下列关于石墨的导电性叙述正确的是（ ） A、石墨晶体中存在能自由移动的C+和C-离子。 B、石墨晶体中存在能自由移动的C4+离子和自由电子。 C、石墨晶体中存在能自由移动的C4+和C4-离子。 D、石墨晶体中每层中碳原子只有3个电子参与成键，剩下的一个电子在层与层之间形成自由电子。,D,聚乙炔导电聚合物的发展与前景,2000年诺贝尔化学奖,瑞典皇家科学院2000年10月10日宣布，美国科学家艾伦黑格、艾伦 马克迪尔米德以及日本科学家白川英树由于在导电 聚合物领

3、域的开创性贡献， 荣获诺贝尔化学奖。 在人们 的印象中，塑料是不导电 的。在普通的电缆中，塑料就常被用作导电铜丝外面的绝缘层。但三位诺贝尔化学奖得主的成果，却向人们习以为常的“观念”提出了挑战。他们通过研究发现，经过特殊改造之后，塑料能够表现得像金属一样，产生导电性。,艾伦J黑格,艾伦J黑格（Alan J. Heeger） ,1936年生于依阿华州苏城。毕业于内布拉斯加大学，现为加利福尼亚大学的固体聚合物和有机物研究所所长，物理学教授。中国科学院化学研究院荣誉研究员。,艾伦G马克迪尔米德,艾伦G马克迪尔米德 （Alan.G.MacDiarmid )，美国化学家。1927年生于新西兰，1953年

4、取得美国威斯康星大学博士学位，1955年取得英国剑桥大学博士学位，1955年至今在美国宾夕发尼亚大学担任教授。马克迪尔米德教授现在是全球八所高校的教授或荣誉教授，包括中国吉林大学兼职教授和浙江大学荣誉教授这两个教授职位。,白川英树,白川英树（白川英，Hideki Shirakawa ）日本著名化学家，1936年8月20日生于日本东京。1961年自东京工业大学理工系化工专业毕业后又在该大学研究生院攻读化工专业博士课程。1976年他应艾伦J黑格教授之邀赴美，在宾夕法尼亚大学担任博士研究员。1979年他回到筑波大学任物质工程学系副教授，从1982年10月起一直担任筑波大学教授，现为筑波大学的名誉教授

5、。,聚乙炔（polyacefylene）,乙炔的聚合物。有顺式聚乙炔和反式聚乙炔两种立体异构体。聚乙炔是最简单的聚炔烃。线型高分子量聚乙炔是不溶不熔，对氧敏感的结晶性高分子半导体，深色有金属光泽。顺式和反式聚乙炔的电导率分别为 10-9和10-5Scm-1，如用碘、溴等卤素或BF3、AsF3等路易斯酸渗杂后，其电导率率可提高到金属水平（约103 Scm-1），因此称为合成金属及高分子导体。用齐格勒 -纳塔催化剂，如TiCl4、TiCl3或Ti（OR）4与AlR3（R为烷基） 组合催化剂可使乙炔直接聚合成膜，此外也可用钒、钴、铁等化合物如VO（CH3COO）2与Al（C2H5）3 组成的催化剂体

6、系聚合 ，聚合温度78。用稀土催化剂（如环烷酸稀土和AlR3）时，则可在室温制得高顺式聚乙炔。聚乙炔是尚在开发研究中的新型功能高分子，已成功制成太阳能电池、电极和半导体材料，但尚未达到工业应用阶段。,聚乙炔为什么能导电？,聚乙炔本身有微弱的导电性，和石墨导电原理相似，因为分子间形成了大键。 掺杂有两种情况： 1、掺入碘单质等，分子间形成了空穴，可以空穴导电，导电性初期随着掺杂浓度升高而升高，某比例达到峰值，然后开始下降。 2、掺入钠等活泼金属，分子间出现了多余的自由电子，可以导电，导电性随着掺杂浓度提高始终提高。 这种掺杂有机物具有半导体的某些特性，被称为半导体有机物。 在聚乙炔中存在着巨大的

7、离域大键： 就是说离域大键上的电子是离域的，可以在整个键上自由移动所以聚乙炔能导电,导电聚合物,导电聚合物又称导电高分子，是指通过掺杂等手段，能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物。通常指本征导电聚合物，这一类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭体系。电子的流动产生了导电的可能性。 没有经过掺杂处理的导电聚合物电导率很低，属于绝缘体。其原因在于导电聚合物的能隙很宽（一维半导体的不稳定性），室温下反键轨道（空带）基本没有电子。但经过氧化掺杂（使主链失去电子）或还原掺杂（使主链得到电子），在原来的能隙中产生新的极化子、双极化子或孤子能级， 其电导率能上升到1010000 S/cm

8、2，达到半导体或导体的电导率范围。,典型的共轭导电聚合物的电导率,注：1、表中列出的是已报道的以不同方法合成的材料的最大值。作为参照，金属铜在室温下为5.5105 Scm-1。 2、电导率是电阻率的倒数，=1/ 。除非特别指明，电导率的测量温度是标准温度（ 25 C ）。电导率的单位是西门子/米（S/m），1S/m=0.01S/cm。,导电聚合物的发展史,自从1977年白川英树首先合成出导电性聚乙炔以来，在世界范围内掀起了研究和开发导电聚合物的热潮。 1979年Diazlzl首先用电化学氧化毗咯在电极表面形成聚毗咯(PPy)膜，人们对在电极表面修饰一层导电聚合物薄膜的兴趣越来越浓厚。 进入19

9、80年以后,美、英、德、日、法、中、苏等国开始大量研究导电聚合物。 1981年日本可乐丽公可发表以海岛结节为芯,以不导电聚合物为鞘的复合导电纤维。 1983年,Mac Diannld发现聚苯胺(PAN)与碱反应,能得到具有较高电导率的导电聚合物。 1984年美国正式把聚合物材料列入太空材料的研究计划之中。 1987年,美国导电聚合物销售总额为17000万美元,到2000年将增加到85000万美元;1987年导电制品消耗树脂总计2万吨,1990年达5.67万吨。 1990年聚对苯乙炔(PPV)的电致发光性能首次被英国剑桥大学科学家们报道后，以导电聚合物为发光活性物质的发光二极管的研究非常活跃。

10、1991年，美国研制了一种基于非线性吸收原理的快响应弹道防护村料；由掺有导电聚合物和无机半导体材料的聚碳酸酯组成。 1998年，杨阳提出一种混合计算机结构，在导电玻璃衬底上打印一种导电聚合物，再在其上面旋转涂敷聚合物发光层，最后蒸镀金属钙作为阴极。 2000年诺贝尔化学奖，终于使一度陷入低谷的导电聚合物研究走上了历史舞台的前面。,导电聚合物的价值,导电聚合物不仅具有较高的电导率，而且具有光导电性质、非线性光学性质、发光和磁性能等，它的柔韧性好，生产成本低，能效高。导电聚合物不仅在工业生产和军工方面具有广阔的应用前景，而且在日常生活和民用方面都具有极大的应用价值。,金属危机,据有关资料表明，截止

11、到2002年地球上已经探明的有色金属储量如果按现在 的开采速度计算，可供开采的年限分别为：铜22年、铝164年、镍77年、锡28年。原生有色金属矿产资源正在趋于枯竭。 同时科学家发现许多不可再生的稀有金属资源仅可以用十来年。比如铂，全世界的所有铂金属在15年内就可以用光。和石油或钻石不同，这种金属无法合成，一旦我们用完了所有的铂，地球将不再会有获得铂的办法。同样的事情还发生在了很多其 他稀有金属上。 被用作制造阻火材料的锑金属15年就将被用光，银在10年内就会被耗尽，锌 可能在2037年被用光，而铟和铪这两种重要的计算机芯片原料金属在2017年 就可能被用完，用来制造荧光灯的绿色磷光体的金属铽

12、在2012年前就会被用光。 估计地球上拥有的铟储量，最多可以维持我们10年的使用。,导电聚合物的应用,导电聚合物在电化学掺杂时伴随着颜色的变化,它可以用作电致变色显示材料和器件。这种器件不但可以用于军事上的伪装隐身，而且可以用作节能玻璃窗的涂层。 导电聚合物具有防静电的特性,因此可以用于电磁屏蔽。传统的电磁屏蔽材料多为铜或铝箔，虽然它们具有很好的屏蔽效率，但重量重，价格昂贵。导电聚合物在电磁屏蔽方面具有几乎同样的性能,并且有成本低、可以制成大面积器件、使用方便等优点,因此是传统电磁屏蔽材料的一种理想替代品，可以用在诸如计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起搏器上。 导电聚合物的电导率依赖于温度、

13、湿度、气体和杂质等因素,因此可作为传感器的感应材料。目前，人们正在开发用导电聚合物制备的温度传感器、湿度传感器、气体传感器、pH传感器和生物传感器等。 导电聚合物还可以用来制作二极管、晶体管和相关电子器件,如肖特基二极管、整流器、光电开关和场效应管等。 有些导电聚合物具有光导性,即在光的作用下,能引起光生载流子的形成和迁移,可以用作信息处理如静电复印和全息照相,也可以用于光电转换如太阳能电池。,塑料的未来,在二十世纪我们有电木(Bakelite)制成的电话机，耐龙(Nylon)制成的袜子，聚乙烯的袋子以及上百项或更多的重要塑料制品，那么，新的纪元能提供些什么呢？或许从今年的诺贝尔化学奖给我们的提示就是塑料材料的不同运用。 导电与半导体的塑料所以具有高度的商业价值，一个重要的原因就是它们容易制造而且便宜。以塑料做的电子零件及集成电路将很快的在一些价格至上而不要求高速的消费产品市场上占有一席之地。 虽然塑料的电子组件离真正分子大小的电子组件仍有一大段距离，分子大小的集成电路有可能将以硅为主的集成电路缩小许多个次方倍。在未来仍有许多的挑战，但可确定的是我们正站在一个塑料电子革命的关键点，它们具有在化学，物理，以及信息科技方面的无穷潜力。,展望聚二氧化碳,一种正在研究的新型