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Nat. Mater.:共轭高分子宏量、精准合成的突破性进展

导电高分子的出现打破了人们的传统知识范畴,被授予了2000年诺贝尔化学奖。基于导电高分子发展起来的共轭高分子半导体材料具有性能易调控、可溶液加工、柔性可折叠等优点,是有机电子技术的最理想材料。然而,由于现有合成方法与手段的局限性,目前宏量合成的共轭高分子存在结构缺陷多、批次重复性差等缺点,阻碍了高分子半导体材料的大规模商业化应用,因此开发高分子半导体材料的宏量精准合成新方法将有望为共轭高分子的大规模应用铺平道路,促进有机电子技术的发展。

Suzuki−Miyaura交叉偶联反应由Suzuki在上世纪70年代首先报道,由于该反应具有无毒、活性高等优点,已经广泛应用于碳−碳键的构建,因此被授予2010年诺贝尔化学奖。然而该反应仍然存在以下问题:

1)硼化物易于质子化脱硼,导致底物普适性低,主要适用于苯基硼化底物,而对于应用广泛的芳香杂环硼化底物却往往受限;

2)普遍采用有机溶剂/水的非均相反应体系,限制了其放大生产应用。因此,虽然该方法优势突出,但是难以应用于共轭高分子的精准、宏量合成。

为了解决上述问题,科学家们在相关领域已经取得了许多进展;然而半个世纪已经过去,目前还未能完全解决上述问题,并将其应用于共轭高分子半导体材料的精准、宏量合成中。

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课题组长期致力于共轭聚合物半导体材料的绿色精准合成,并取得了一系列重要研究成果(Nat. Commun. 2022, 13, 144; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5044; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202115969; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202306307; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202309922.)。最近,我们报道了一类普适性广、可宏量生产的Suzuki−Miyaura室温均相聚合新方法。通过催化体系的创新,完全抑制了杂芳基硼酸酯的原位脱硼,同时实现了公斤级的宏量聚合,解决了Suzuki-Miyaura交叉偶联聚合反应长达半个世纪的难题。更重要的是该方法基本消除了高分子的自偶联结构缺陷与批次差异性,实现了共轭高分子的绿色精准合成。基于该方法合成的共轭高分子材料,由于结构缺陷的显著减少甚至消除,其结晶性和载流子迁移率都显著提高,从而大幅度提升了聚合物场效应管和太阳能电池的性能,有望推动共轭高分子的商业化应用。

相关研究成果以题为“General room temperature Suzuki−Miyaura polymerization for organic electronics”发表在Nature Materials上。课题组熊海根博士为论文的第一作者,中国科学院大学材料科学与光电技术学院黄辉教授、史钦钦副教授和美国西北大学Tobin J. Marks教授为论文的共同通讯作者,其中Marks教授团队在加工高性能场效应管方面做出了重要贡献。作者感谢国家自然科学基金委、中国科学院等相关项目的资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01794-9


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