难溶平面刚性共轭分子的电化学合成及组装:面向高性能有机电极材料

Untitled非取代平面刚性π共轭分子紧密、有序堆积利于π电子在分子间快速传输(相对于无定形材料),是提升有机半导体材料载流子传输性能最重要的设计理念。在不引入增溶性基团(如烷基链)的前提下,使用溶液加工的方法获得紧密、有序分子堆积,能够兼顾材料的载流子传输性能与简单溶液加工性能两方面的优点,成为有机半导体材料领域中人们一直关注的、真正利用有机材料特点(分子多样性、廉价溶液加工等)来实现高性能材料而亟待解决的问题。从目前有机半导体材料加工技术来看,主要通过高度真空、高温条件下缓慢沉积的方法(真空蒸镀)获得这种紧密、有序分子堆积,而不能使用相对更加廉价、更加简便的溶液加工方法(如旋涂、刮涂、喷墨打印等);这主要受限于这类平面刚性分子体系中强π-π相互作用导致的难溶解的特性。通过原位反应合成非取代共轭聚合物虽然可以避开溶解性的问题,却难以形成分子链间有序堆积。在分子结构中引入柔性增溶基团能够解决溶解性问题,却牺牲了π体系紧密堆积的性质,这将导致有机半导体材料迁移性能的降低。华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室解增旗教授、马於光教授研究组针对这一重要科学问题,创造性地利用电化学原位合成与组装的方法,在电极表面实现了这种非取代平面刚性π共轭分子有序组装体的大面积制备,并研究了作为电极材料在电容器中的应用。

该研究组使用具有扭曲分子结构的六苯基苯为原料,利用电化学方法在电极表面进行六苯基苯分子内关环反应,生成具有平面分子结构的六苯并蔻分子。六苯并蔻可以看作是石墨烯的最小单元,在分子间强π-π相互作用的驱动下,在电极表面沉积并形成具有纳米纤维结构的聚集体。这种方法获得的六苯并蔻纳米纤维相互缠绕形成具有高表面积的三维交联网络结构,结合聚集体内部规则有序的分子排列结构,赋予该材料优异的离子存储与传输性能。测试结果显示该纳米纤维具有良好的氧化还原活性,作为电极材料表现出较高的比容量及循环稳定性。相关研究结果发表在Small上

该研究组所提出的电化学氧化还原辅助的分子组装方法解决了难溶平面共轭分子溶液加工的难题,具有操作简便,普适性较强的特点,为难溶分子的自组装及其在电子器件方面的应用迈出了重要的一步。