[好文章,你推荐]An Unconventional Route to Monodisperse and Intimately Contacted Semiconducting Organic–Inorganic Nanocomposites

四川大学 高分子科学与工程学院潘敏推荐的文章:

文章题目:An Unconventional Route to Monodisperse and Intimately Contacted

Semiconducting Organic–Inorganic Nanocomposites

文章DOI: 10.1002/ange.201500763

文章URLhttp://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201500763/full

文章背景:

本文制备一种单分散的有机无机复合纳米粒子,该粒子可以用于热电转换材料的制备,在提高材料的热电性能的同时克服了传统有机无机复合材料制备的热电材料的长期稳定性差的问题。首先向大家简单介绍一下热电材料,热电材料顾名思义是一种具有热电转换功能的材料,具体来说这种热点转换功能指的是温差可以产生电势或者电势可以产生温差这样的一种效应。

热电材料主要用于发电和制冷,材料需要有高塞贝克系数(S),低热导率(κ),以及高导电率(κ),而目前热电材料最大的挑战也正在于此,如何精确的调控材料的这些参数是制备热电材料首要考虑的问题。

目前越来越多的科研工作者开始关注基于导电聚合物和无机纳米晶体结合的复合材料制备的热电材料。因为导电聚合物具有低热导率和高塞贝克系数,而无机晶体具有高导电性,两者的结合非常完美的可以用于热电材料的制备。然而传统的制备有机无机复合材料的方法例如物理共混,原位合成,配体交换等等均有一个致命的问题就是长期稳定性问题,因为这些方法制备的复合材料有机相与无机相的结合并没有非常紧密,而有机无机之间的界面结合对于导电以及材料的稳定性来说均非常重要。

 

文章概要:

对于有机无机复合热电材料而言,通常选取的导电性非常好的一种聚合物为:聚(3,4-乙烯二氧噻吩),简称PEDOT,分子结构为: 1,当将PEDOT与聚磺苯乙烯PSS掺杂时,导电性可以达到3000 S /cm,另外基于碲化铅(PbTe)的热电材料保持有迄今为止最好的ZT值(表征热电效率的一个参数)。本文首先制备了一种单分散的星形双嵌断共聚物,然后用该星形嵌断共聚物作为模版诱导无机粒子在其内部的聚合物上面生长从而制备得到无机粒子表面生长有有机物的纳米复合粒子,即PEDOT共价连接在PbTe纳米粒子表面。具体的制备步骤如下:

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β环糊精表面有21个羟基,首先将其全部溴代,然后将全溴代的β环糊精作为一个大分子引发剂通过ATRP来引发丙烯酸叔丁酯的聚合得到末端均为溴的星形聚合物,接着将溴反应成叠氮基团。另外一条路线为PEDOT的聚合以及末端炔基化,该链为刚性链。然后通过叠氮基团与炔基的点击化学反应将该刚性链接枝到柔性星形的叔丁基聚丙烯酸链上从而形成星形的两嵌断共聚物。然后水解将其内部的叔丁基水解脱离使其内部变为聚丙烯酸链。最后将该星形聚合物与碲化铅前驱体高温回流,由于聚丙烯酸链上的羧基与碲化铅前驱体之间具有强的相互作用,碲化铅粒子就会在聚丙烯酸链的上面开始形成,从而包裹星形聚合物的内部,而外面的PEDOT聚合物没有这种相互作用,所以PEDOT聚合物就会露在外面,好像是PEDOT聚合物生长在碲化铅纳米粒子上面,这样在有机无机界面处就形成了非常紧密的共价连接。将该纳米复合粒子再与PSS等掺杂制备热电材料的时候不仅会提高材料的热电性能,而且解决了该热电材料的长期稳定性问题。

下面向大家分享一下文章内比较重要的表征。

  1. 炔基封端的PEDOT聚合物的紫外-可见吸收光谱:

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可以看到该聚合物是具有多分散性的。那么分子量呢?请看下面。

  1. 炔基封端的PEDOT聚合物的GPC测试:

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可以得到其平均分子量为1100g mol-1.

  1. 最终纳米复合粒子的XRD表征:

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得到其结构完全符合PbTe晶体的面心立方结构。

  1. 当然还有透射电镜TEM表征:

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在TEM中未能看到粒子表面有有机物层的存在的原因是PEDOT聚合物分子链本身比较短,另外相比于无机PbTe纳米粒子其电子的密度特别低,所以在TEM中无法直观的看到,但文章进一步通过Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS)进一步表征论证了该结构的存在。

  1. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS):

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首先Pb与Te原子比例为1:1,结合S原子的存在从而得出该纳米复合粒子的成功制备。

推荐理由:

因为我目前的研究课题为磁性聚合物材料的研究,里面很重要的一部分内容是将具有磁性的四氧化三铁纳米粒子引入聚合物体系,有机相与无机相的相容性以及稳定性问题困扰了我许久。我尝试过很多种方法在粒子表面改性都没有得到很好的效果,直到我看到这一篇文章,里面通过模版法制备有机无机复合纳米粒子是超越所有的传统方法的新思路,给了我很大的启发。在这种思路下目前我已经开始了新的制备过程。虽然效果还没有拿到,但我觉得这种制备思路的创新是我们每一个科研工作者应该学习和追求的。

另外,细读文章会发现作者在表征上面严谨且循序渐进,有一种娓娓道来的亲切感,读后很难找到破绽,让人心悦诚服。所以我推荐这篇文章给大家,希望更多的人可以看到它,不仅仅可以帮我们相关领域的学者找到新的实验思路,为我们打开一扇窗户,而且文章表征的严谨性也是我们每一个人应该学习的。

最后,感谢Wiley推出的这样的一个比赛,为全国的科研工作者搭建起这样的一个高端而且高效的交流平台。去年我通过参加第二届Wiley优秀文章推荐大赛看到了很多精彩的文章,也了解到很多其他领域的前沿热电话题。所以我也再次推荐文章给大家,希望可以把精彩继续传递。