導電聚噻吩的應用

李　驥

[摘要]結合研究工作以及國內外最新研究文獻，系統總結無取代聚噻吩電化學聚合、化學氧化聚合及光化學聚合等方法，并比較它們的優劣。指出聚噻吩具有高達數十至數百S·cm-1的電導率，在金屬防腐、化學反傳感器、修飾電極和光伏電池等方面具有廣闊的應用前景。

[關鍵詞]聚噻吩 化學聚合 電化學聚合 應用

中圖分類號：TB3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220124－01

自1977年白川英樹等科學家發現聚乙炔薄膜經電子受體（I,AsF5等）摻雜后具有類似金屬的導電性，從而打破了有機聚合物都是絕緣體的傳統觀念之后，多種導電聚合物不斷地被合成出來。代表性品種有聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚對苯撐乙烯、聚對苯等。聚噻吩是其中一種很重要的導電高分子，由于具有高的電導率、良好的環境穩定性以及易于調控的分子鏈結構等特點，一直都受到研究者的廣泛關注。本文就聚噻吩的一些應用進行詳細綜述。

一、金屬防腐涂層

導電聚合物用在金屬防腐性能的研究由來已久。聚苯胺，聚吡咯是較早得到開發應用的防腐材料。聚噻吩由于有良好的穩定性，因此近年來在金屬防腐的研究上也引起了人們的關注。以金屬棒為工作電極，在其上電化學沉積一層聚吡咯膜。然后再以此修飾電極作為工作電極，電化學沉積上聚噻吩膜。得到的聚吡咯/聚噻吩的復合膜表面非常致密，能夠有效地阻止腐蝕溶液進入涂層中，更好地對金屬進行保護。在3.5%的NaCl溶液中，該復合膜起到了很好的陽極保護作用，其腐蝕速度是未涂層的1/25[1]。

二、光電器件

聚噻吩在可見光范圍內表現出很高的吸收性能，并且有著良好的環境穩定性，使其在光電器件如光伏電池方面的應用令人關注。電化學沉積法是制備導電高分子為主要基質材料的有效的方法。首先用電化學法使噻吩在ITO和FTO玻璃電極上成膜構成電池的正極，然后再與另一個電極（金屬負極）相連便構成了一個光伏電池的最基本結構。除了使用聚噻吩一種物質作為電池的基質材料外，通常也使用聚噻吩的復合材料來改善電池的性能，或者是制備多層膜的光伏電池。光電轉化效率(IPCE)表征光伏電池性能的一個重要參數，電化學法制備的FTO/PTh/Al電池的IPCE在620nm處最大(5%)[2]，這對于單層膜的光伏電池來說是一個不錯的轉化效率。但是由雙層膜TThP/PTh組成的電池的轉化效率達到了32%（在440nm處）[3]，比單層膜高出許多。對于光伏電池來說，短路電流強度(JSC)、開路電位(V∝)、填充因素(FF)和功率轉化效率(ηe)也是很重要的性能參數。

光伏電池的ηe遠比IPCE低，這是因為聚噻吩雖然是導電高分子，但它的電阻還是相對比較大。此外，電極與聚噻吩膜界面之間的電阻較大也是一個原因。多層膜結構的聚噻吩或者聚噻吩復合膜電池的ηe與JSC比單層聚噻吩膜的電池相比大得多，這也是今后制備高性能聚噻吩光伏電池的一個發展方向。這類聚噻吩光伏電池的穩定性相當好，例如ITO/(TThP/PTh)/Pt電池在室溫下放置6個月后仍能夠保持其初始性能變化不大[3]。

（一）傳感探測電極。聚噻吩由于其良好的電性能，使其在傳感器上也有許多應用。用電化學方法使噻吩在ITO電極上成膜，摻雜后可制得氨氣傳感器[4]。在不同溫度下，將聚噻吩膜置于各種氣體環境中檢測發現，該聚噻吩膜對NH3的敏感性遠遠大于其它幾種氣體。這不僅可以檢測出NH3的含量，也能很簡單地將NH3與其它的幾種氣體區分開來。此外，在不同溫度下薄膜對NH3的敏感性也差別很大，溫度越低敏感性越高。聚噻吩薄膜的這些性質將會使其有一定的應用前景。若使用聚噻吩復合膜[5]，對氨氣的敏感性更高，由于該敏感膜與被吸收的氣體分之間的作用力很弱，屬于氫鍵或范德華力的范疇。因此，將吸收氣體后的傳感膜放置于高純度的N2中便可以使所吸附的氨氣分子脫離，從而使傳感性能完全恢復，顯示出相當好的重復使用性。此外，該傳感膜對其它一些氣體的敏感性遠不如對氨氣的高，因此該敏感膜具有優良的選擇性。

除了氣體傳感器之外，聚噻吩修飾電極在檢測金屬離子方面也表現出良好的性能。最新研究報道，一種由電化學法得到的聚噻吩/鉑電極對銀離子有相當高的敏感性。該修飾電極能夠檢測溶液中濃度低達0.06mg·L-1的銀離子[6]，并且有很好的循環使用性。此外，通過在不同離子溶液中的檢測發現該修飾電極還有很好的選擇性，易于區分對銀離子和其它離子的吸收。因此用它來檢測水溶液中銀離子時，可以避免其它金屬離子的干擾。該修飾電極還擁有良好的耐久性能，能夠進行2周不間斷的檢測。

（二）催化劑載體。甲酸燃料電池由于有較高的開路電位，因此在電子器件和微電子器件方面展現出良好的特性。它在應用時需要使用Pt或其它一些貴金屬作為電極進行電活性催化，然而反應中出現的中間產物通常會吸附在電極表面，使催化劑失效。這一催化劑中毒現象是一個很嚴重的問題。用聚噻吩作為催化劑載體，可有效地避免催化劑中毒的問題。其做法是：將Pt金屬粒子加入到溶解有噻吩單體的電解中，通過電化學氧化法在ITO玻璃電極上積極一層聚噻吩膜，而Pt粒子則均勻分散在聚噻吩膜之中。用此修飾電極對甲酸進行電催化，發生氧化反應，既避免了催化劑中毒的問題，而且催化效果也很好[7]。這是由于Pt金屬粒子能夠非常均勻地分散在聚噻吩膜中，穩定性很好，所以其催化性能也得以提高。

三、結束語

導電聚噻吩經過多年的研究，不斷取得了進展。例如，聚噻吩傳感器、聚噻吩光伏電池、聚噻吩防腐涂層等材料都展示出優越的性能。然而，在實際應用的過程中還面臨著許多問題，例如光電器件的作用機理還未完全弄清楚，光伏電池的效率較低，器件穩定性還不夠好，壽命差等。但是可以相信，隨著研究的不斷深入，對聚噻吩結構和性能關系的取得更深入的認識，并且通過將各種合成方法與高分子化學、物理學、電化學、材料學、光學等領域相結合，定能大幅度提高聚噻吩材料的性能，而其應用前景也將更加廣闊。

參考文獻：

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[7]Selvaraj V, Alagar M, Hamerton I. Nanocatalysts impregnated polythiophene electrodes for the electrooxidation of formic acid[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 73: 172-179.