雷霆课题组JACS：高分子热电材料研究中取得新进展

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高分子材料凭借其低毒、质轻、可大面积溶液加工和柔性等特点在光电、能量转换及储能器件等领域具有广阔的应用前景。其中，有机热电材料作为一种可以直接将热能和电能相互转换的能量转换材料逐渐引起了人们的广泛关注。获得高效且性能相当的p型和n型热电材料是构筑高效率热电器件的必要条件。在有机热电材料领域，p-型共轭高分子（例如PEDOT）已表现出接近无机热电材料的高热电优值（ZT > 0.4），这主要得益于这类材料的高电导率（> 1000 S cm-1）和高功率因子（> 300 μW m-1 K-2）。相比之下，只有少数n-型共轭高分子的电导率接近或略超过1 S cm-1，且功率因子一般低于10 μW m-1 K-2。

  近几年，随着各种性能优异的组成共轭聚合物的结构单元的出现，D-A型共轭聚合物的载流子迁移率有了显著的提升。其中，吡咯并吡咯二酮（DPP）是一类受到广泛关注的结构单元，目前文献报道的基于DPP的D-A型共轭聚合物已表现出超过5 cm2 V-1 s-1的电子迁移率，该值甚至优于目前高性能的p型共轭聚合物的空穴迁移率（如PEDOT、PBTTT等的空穴迁移率约为1 cm2 V-1 s-1）。然而，n型掺杂的DPP类共轭聚合物的电导率通常较低（0.1~1 S cm-1），这主要是由这类聚合物较低的n型掺杂效率导致的。

       基于以上研究背景，雷霆课题组设计并合成了一种新型的吡嗪基吡咯并吡咯二酮（PzDPP）结构单元。在目前文献所报道的DPP结构单元中，PzDPP具有最低的LUMO能级。通过将PzDPP和缺电子的3,3’-二氰基-2,2’-联二噻吩结构单元聚合，得到了一个新的D-A型共轭高分子P(PzDPP-CT2)。该聚合物表现出构象锁定的共平面骨架结构及低至?4.03 eV的LUMO能级，低的LUMO能级有利于提高该聚合物的n型掺杂效率。经n-型掺杂剂掺杂后，高分子P(PzDPP-CT2)表现出高达8.4 S cm-1的电导率及57.3 μW m-1 K-2的功率因子。该电导率明显优于目前文献报道的n-型掺杂的D-A型共轭聚合物的电导率，该功率因子也是目前可溶液加工的n型高分子热电材料的最高值之一。

     相关工作发表在《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.9b10107).

  博士后严新稳和博士研究生熊苗是该论文的共同第一作者，雷霆研究员是通讯作者。合作者包括北京大学化学院的王婕妤副教授和美国南密西西比大学的顾小丹教授。

  文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b10107

]] 雷霆，博士，北京大学教授。于2004年9月至2008年6月在北京大学化学与分子工程学院学习，获理学学士学位。2008年9月至2013年6月在北京大学有机化学专业学习，获理学博士学位。2013年10月至2018年2月在斯坦福大学化工系从事博士后研究，师从美国工程院院士鲍哲南教授。2018年度“青年##计划”获得者。2018年3月加入北京大学工学院材料科学与工程系，任特聘研究员，博士生导师。主要从事有机高分子功能材料和其在电子、能源和环境科学中的应用研究，提出了可降解半导体材料和可降解电子器件的新设计策略，完成了基于碳材料和高分子材料的柔性电子器件的设计和加工，发展了具有生物医学应用的柔性器件，并应用于医学检测治疗和可穿戴设备中。在国际著名期刊Nature Energy、PNAS、JACS、Adv. Mater. 等杂志上发表高质量科研论文超过50篇，总引用超过3000次。申请中国和国际专利7项，已获授权4项，部分专利成果已实现规模化生产。