中国学者领衔！最新《ACS Nano》：自支撑导电聚合物薄膜用于多功能应用

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-14 16:08

正文

有机半导体工程的最新进展为可穿戴技术、生物电子学和软机器人提供了更多机会，这些技术能够与人体良好互动并适应动态环境。在现有的有机半导中，π共轭导电聚合物由于具有固有的柔软性、灵活性和导电性等诱人优点，可以为此类技术提供多功能且可靠的平台。与传统的刚性无机对应物相比，这些软导体还可以模拟生物体，并具有良好的顺应性和适应性，从而实现新功能并拓宽应用范围。尽管迄今为止在有机电子学方面进行了大量的研究，但将单个软导体集成到多种技术应用中仍然很少得到探索，主要是因为不可避免的权衡和满足所有要求的巨大挑战。有机导电聚合物聚PEDOT:PSS由于其低成本的溶液加工性、高度可调的导电性、优异的机械柔韧性、良好的生物相容性以及出色的大气稳定性而在有机电子领域引起了极大的关注。原始PEDOT:PSS薄膜有限的电气性能和不利的水不稳定性阻碍了其在广泛的实际应用中的进一步实现。通过精心设计，PEDOT:PSS可实现多种应用所需的特性组合，包括驱动、主动感应和能量收集等。然而，开发一种简单的一体化方法来有效地将PEDOT:PSS定制为多功能目标应用是当务之急，但也很具有挑战性。

针对上述问题，德国慕尼黑工业大学物理系Peter Müller-Buschbaum教授、Ting Tian博士等人提出一种简单而有效的Zn(TFSI)₂盐后处理策略，成功地调整PEDOT:PSS中固有的静电相互作用，从而优化了薄膜性能。从分子结构到长距离导电网络的多尺度结构阐明了电气性能的提高。光谱和结构研究证实，控制离子盐的结合强度可有效获得权衡关系的正偏差，从而赋予PEDOT:PSS多种有利特性。受益于亲水PSS链的部分去除和疏水PEDOT聚合物网络的高交联水平，Zn(TFSI)₂后处理的PEDOT:PSS薄膜还具有良好的机械稳定性。因此，Zn(TFSI)₂盐不仅赋予了后处理的PEDOT:PSS薄膜高的电气性能，还赋予了其他引人注目的特性，包括卓越的水稳定性、出色的机械性能和快速的湿度响应性。得益于这些多功能特性，制备的Zn(TFSI)₂后处理PEDOT:PSS自支撑薄膜集成到多功能柔性电子应用，包括热电发电机、导电水凝胶和湿度响应执行器。相关工作以题为“Electrostatic Tailoring of Freestanding Polymeric Films for Multifunctional Thermoelectrics, Hydrogels, and Actuators”的论文发表在最新一期的《ACS Nano》上。论文第一作者为Suo Tu博士，Peter Müller-Buschbaum教授和Ting Tian博士为论文共同通讯作者。慕尼黑工业大学化学系Roland A. Fischer教授和Xiaoxin Ma博士等人为论文重要合作者。

【静电自组装的调控】

盐后处理会影响PEDOT链的氧化程度和构象。具体而言，盐后处理松散了缠绕在PEDOT周围的PSS链，使PEDOT分子能够选择性地与绝缘的PSS链分离，从而最终实现高平面性。因此，更长的共轭长度和更高有序度的PEDOT堆叠有利于形成导电通道。由于离子交换，PEDOT和PSS之间的库仑引力减弱，这导致极化子密度增加和氧化水平降低。

图1：用离子盐后处理的PEDOT:PSS薄膜的分子间相互作用、聚合物链构象和掺杂水平的变化。

【热电性能和机械柔韧性】

盐后处理可以同时提高塞贝克系数和电导率。本研究中盐后处理的PEDOT:PSS自支撑薄膜的电气性能仍可与其他复杂工程方法获得的结果相媲美。除了改进的电气性能外，后处理PEDOT:PSS薄膜还表现出增强的机械柔韧性。

图2：用离子盐后处理的PEDOT:PSS薄膜的热电和机械性能。

【微观结构分析】

原子力显微镜（AFM）提供了盐诱导相分离形态变化的直接证据。掠入射小角X射线散射（GISAXS）证实了盐后处理促进了大尺寸和中尺寸PEDOT域的崩解，从而生成更细小、分布更密集的小尺寸PEDOT域。因此，从纳米级内部形态的角度验证了盐诱导对电导率的有益影响。掠入射广角X射线散射(GIWAXS)数据提供了有关PEDOT:PSS在分子水平上排列的详细信息。由于沿π-π堆叠方向的载流子传输是速率决定步骤，d₍₀₁₀₎间距的轻微收缩可以通过有效改善链间电荷转移来显著提高整体电导率。

图3：用离子盐后处理的PEDOT:PSS薄膜的微观结构分析。

【多功能热电发电机、水凝胶和执行器】

由于这些综合的有利特性，Zn(TFSI)₂后处理PEDOT:PSS薄膜材料可实现有机热电发电机、高导电性水凝胶和湿度响应执行器等多功能应用。

图4：PEDOT:PSS基薄膜的热电发电机、导电水凝胶和湿度响应执行器。

【小结】

作者成功开发了一种简单而有效的离子盐后处理策略，用于改性PEDOT:PSS自支撑薄膜，以实现多种优势特性，包括竞争性电气性能、高水稳定性、优异的机械柔韧性和快速的湿度响应性。得益于这些优点，PEDOT:PSS的多功能应用通过热电发电机、导电水凝胶和湿度响应执行器得到展示。这项研究展示了一种探索多功能导电聚合物的简便方法，其应用范围可扩展到广泛的下一代可穿戴设备、生物电子学和软机器人领域。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12502

来源：高分子科学前沿

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