聚噻吩是一種具有共軛長鏈的導(dǎo)電高分子材料，具有導(dǎo)電性、環(huán)境穩(wěn)定性、非線性光學(xué)性質(zhì)等優(yōu)異，可廣泛運用于太陽能電池、熱電器件、電致變色器件等。但由于聚噻吩在溶劑中溶解度極低，極大地限制了其成膜工藝的發(fā)展及在器件中的應(yīng)用。
原位聚合聚噻吩薄膜是制備聚噻吩薄膜的一種重要方式，但由于噻吩單體氧化電位高（>1.65 V vs Ag/AgCl），合成聚噻吩薄膜的難度加大。目前原位合成噻吩薄膜常用的方法是電化學(xué)合成，通過施加足夠的電壓使得單體聚合得到聚噻吩薄膜。由于噻吩的聚合電位高于過氧化電位，產(chǎn)物往往含有過氧化的聚噻吩，降低薄膜品質(zhì)。當(dāng)往電解液中加入一些路易斯酸如三氟化硼乙醚可在一定程度上降低氧化電位，減少過氧化現(xiàn)象的發(fā)生，提升聚噻吩薄膜品質(zhì)。但是電化學(xué)合成成本高昂，且需要導(dǎo)電基底，使得聚噻吩無法在工業(yè)生產(chǎn)中常用的不導(dǎo)電基底如玻璃和塑料表面原位聚合成薄膜，一方面限制了其在一些光電器件和柔性可穿戴設(shè)備的應(yīng)用，另一方面不能進(jìn)行大規(guī)模制備滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。
基于此，在李永舫院士的指導(dǎo)下，重慶大學(xué)孫寬研究員帶領(lǐng)的柔性可再生能源材料與器件（La FREMD）團(tuán)隊把可兼容多種基底及大面積制備的連續(xù)液相聚合法（sequential solution polymerization, SSP）應(yīng)用到聚噻吩的合成（圖1）。該方法采用溶于甲磺酸的V2O5作氧化劑，在基底表面先后沉積氧化劑溶液和單體溶液，快速聚合并得到聚噻吩薄膜。實驗證明向單體溶液中加入少量甲磺酸（0.2 vol%）能有效降低單體氧化電位，因此能在SSP過程中成功氧化聚合。合成的薄膜中噻吩單元為Cα-Cα連接，同時沒有過氧化的發(fā)生。使用溶劑清洗后，薄膜中的氧化劑和大多數(shù)甲磺酸被有效去除，得到磚紅色聚噻吩薄膜。磚紅色的聚噻吩薄膜為完全的中性狀態(tài)，濃硫酸處理-溶劑清洗和電化學(xué)氧化還原能對聚噻吩薄膜進(jìn)行可逆的摻雜和去摻雜，并伴隨著可逆的藍(lán)-紅顏色變化（見演示視頻），表明SSP制備的聚噻吩在電致變色、化學(xué)變色等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。
該成果以《連續(xù)液相聚合原位制備非取代聚噻吩薄膜及其化學(xué)/電致變色應(yīng)用》(Unsubstituted Polythiophene Film Deposited via In-situ Sequential Solution Polymerization for Chemo-/Electrochromism)為題發(fā)表在自然指數(shù)期刊《Macromolecules》上。重慶大學(xué)的孫寬研究員為通訊作者，博士生陳瑞、陳珊珊博士和周永利為共同第一作者，本科生韋洲崟和汪海燕參與了該研究項目。
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