电子科技大学王守绪团队研究成果：噻吩基导电聚合物在能源储存与光电转化中研究进展
引言
导电聚合物的研究始于20世纪70年代，Hirakawa和Heeger团队对聚乙炔的突破性发现颠覆了高分子材料仅为绝缘体的传统认知。历经三代发展，导电聚合物已从单纯具备金属/半导体特性，演变为兼具优异电学/光学性能与可加工性的功能材料。其中，噻吩基导电聚合物凭借其独特的分子可设计性和环境稳定性，自20世纪中叶以来成为能源材料领域的研究热点。这类材料在能量存储与转化、太阳能电池、燃料电池及电致变色器件中展现出显著应用潜力，尤其在解决传统电极材料导电性不足、机械柔韧性差等问题方面具有独特优势。本文系统梳理了噻吩基导电聚合物的合成机理、性能调控策略及其在储能与光电领域的应用进展。文章基于电子科技大学王守绪教授团队研究成果及国家自然科学基金、江西省科技计划、广东省科技创新战略专题项目资助。
1、研究背景
全球能源危机加剧背景下，开发高效储能与光电转化材料成为迫切需求。噻吩基导电聚合物因具备以下特性成为理想候选：
（1）结构可调性：通过引入取代基或共轭结构优化，可精准调控能级与电荷传输特性；
（2）多功能性：兼具导电性、柔韧性及电化学活性，适用于柔性电子器件与可穿戴设备；
（3）环境适应性：在空气、水溶液中表现出良好的稳定性，适用于超级电容器与生物传感器。
当前研究聚焦于突破其导电性能瓶颈（本征电导率通常低于10⁻⁵ S/cm）、提升结构稳定性（循环寿命不足1 000次）及降低合成成本（部分方法需贵金属催化剂）。
2、创新亮点
（1）合成机理突破
提出齐聚法新机理，揭示质子消除过程在低聚物中的延缓效应，发现四单元以上σ-二聚体可稳定存在，为链长依赖性性能研究提供工具；对比化学聚合与电化学聚合优势：前者适合大规模生产，后者可同步实现聚合与掺杂，精准控制膜厚度（误差＜50 nm）。
（2）电化学性能调控策略
掺杂优化：I₂掺杂使2,5-二溴噻吩电导率提升7个数量级（5.3×10⁻¹¹→3.4×10⁻⁴ S/cm）；结构改性：引入氟/硫原子与非富勒烯受体配对，聚（3-甲基噻吩）载流子迁移率提高4个数量级（0.13 cm²/Vs）；形貌控制：通过电化学聚合参数调整，实现电极膜孔隙率（30%～60%）与比表面积（200～500 m²/g）的精准调控。
（3）应用场景拓展
储能器件：开发卟啉-噻吩双极分子阴极，循环寿命超9 000次（容量保持率＞90%）；太阳能电池：D18:N3:QX-α体系实现19.33%光电转换效率，器件寿命＞17 000 h；燃料电池：噻吩改性膜离子电导率提升至0.35 S/cm（较Nafion膜提升40%）。
3、图文展示
图1 (a) 聚噻吩、聚噻吩并噻吩和聚二氧噻吩型聚合物的实例 ；(b) 共轭聚合物从最简单的聚乙炔形式发展到重复单元 (PTB7-Th) 或聚合结构（半随机）方面复杂性增加的形式
Fig.1 (a) Examples of polythiophene, polythienothiophene, and polydioxothiophene-type polymers; (b) development of conjugated polymers from the simplest polyacetylene forms to forms of increased complexity in terms of repeating units (PTB7-Th) or polymerized (semi-random) structures
图2 导电聚合物的经典形成机理
Fig.2 Classical formation mechanism of conducting polymers
图4 (a)P3MEET和P3MEEMT的化学结构及LiTFSI 分布的示意图和离子电导率的比较；(b)P3HT、P5–P30和 F4TCNQ的结构和共聚物高低掺杂条件下在的电导率
Fig.4 (a) Schematic representation of the chemical structures and LiTFSI distribution of P3MEET and P3MEEMT and comparison of ionic conductivities; (b) structures of P3HT, P5-P30, and F4TCNQ and conductivity under high and low copolymer doping conditions
图5 (a) 噻吩电聚合过程中阴离子表面活性剂在 BFEE 电解质中的扩散示意图；(b)TEAP MeCN 中 PSnT 薄膜掺杂水平与电位的关系对数图和电导率与电位的对数图
Fig.5 (a) Schematic of anionic surfactant diffusion in BFEE electrolyte during thiophene electro polymerization; (b) logarithmic plots of doping level versus potential and conductivity versus the potential of PSnT films in TEAP MeCN
图8 (a) BHJ OSC 装置及其原理示意图；(b)异构中心核的一般设计策略说明及代表性结构；(c) Y6分子结构式和采用传统架构的基于Y6的OPV的光伏特性；(d)基于Natrosol聚合物基凝胶电解质的DSSC太阳能电池示意图
Fig.8 (a) Schematic diagram of the BHJ OSC unit and its principle; (b) illustration of general design strategy of the isomeric central core and representative structures; (c) the molecular structural formula of Y6 and photovoltaic properties of Y6-based OPV using conventional architecture; (d) schematic of DSSC solar cell based on Natrosol polymer-based gel electrolyte
图10 (a)电极材料制备、Si/PEDOT:PSS/PEG 电极的三维打印以及LIB的几何形状示意图；(b)含有不同导电粘合剂并在70°C 下循环使用 Li|deblock|LFP 电池的循环性能：C/10、C/5和C/2速率下的速率能力；含有 PEDOT:PSS/OIPC复合材料(OMIEC)和全嵌段聚合物作为粘合剂的电极方案及其传导途径
Fig.10 (a) Schematic of electrode material preparation, 3D printing of Si/PEDOT: PSS/PEG electrodes, and geometry of LIB;(b) Cycling performance of Li|diblock|LFP cells containing different conductive binders and cycled at 70 °C: rate capability at C/10, C/5, and C/2 rates; rate capability at C/10, C/5, and C/2 rates; rate capability at 70 °C with PEDOT: PSS/OIPC composites (OMIEC) and full block polymers as binders for electrode schemes and their conduction pathways
4、结论
噻吩基导电聚合物通过结构设计与功能化策略，在电化学储能与光电转化领域展现出巨大潜力。尽管面临导电性、稳定性及成本挑战，但其分子可设计性为突破性能瓶颈提供了可能。未来需结合纳米技术（如二维材料复合）与光电子技术（如等离子体效应），进一步开发高性能、多功能导电聚合物，推动其在柔性电子、智能电网及可再生能源系统中的实际应用。
引用本文
文章发表于《功能材料》2025年第56卷第8期，欢迎引用本文：
李玖娟,谢开彬,王守绪,等.噻吩基导电聚合物在能源储存与光电转化中研究进展[J].功能材料, 2025,56(8):08033-08044.
Li J J,Xie K B,Wang S X,et al.Advances in thiophene-based conducting polymers for energy storage and photovoltaic conversion[J].Journal of Functional Materials, 2025,56(8):08033-08044.