热电材料在可穿戴电子设备、物联网、传感器等诸多方面应用前景广阔,吸引了众多科研工作者的注意力。高分子作为热电材料,具有低热导率和柔性的突出优势。热电元件需要p型材料和n型材料一起使用,但是已有的高分子热电材料大都是p型的。n型高分子热电材料的种类和数量都很少,性能也较差,是限制高分子热电材料与器件领域发展的瓶颈。

        中国科学院长春应用化学研究所的刘俊团队2015年提出了采用硼氮配位键设计n型高分子半导体的学术思想,从无到有,发展出了硼氮配位键n型高分子半导体材料体系,它们作为电子受体材料应用于有机太阳能电池,性能优异。近期,刘俊团队针对n型高分子热电材料缺乏的瓶颈问题,继续采用硼氮配位键这一分子设计策略,成功地发展出硼氮配位键n型高分子热电材料,且性能优异。该成果为n型高分子热电材料开拓出新体系。

        n型高分子热电材料要求具有很低的LUMO能级,利于n-掺杂。已有的硼氮配位键n型高分子半导体材料大都具有“电子给体-电子受体(D-A)”特征,导致其LUMO能级不够低(-3.3 eV ~ -3.7 eV),不能被有效n掺杂,因此无法作为n型高分子热电材料。在本工作中,作者通过合成硼氮配位键吸电子单元的三丁基锡聚合单体,成功制备出具有“电子受体-电子受体(A-A)”特征的硼氮配位键n型高分子,其LUMO能级降低到-4.0 eV ~ -4.4 eV,从而使高分子可以被有效n掺杂,并展现出优异的热电性能。实验结果表明,这些具有A-A特征的硼氮配位键n型高分子被四(二甲基胺基乙烯)蒸汽掺杂后,其电导率达到7.8 S cm-1,最大功率因子达到24.8 µW m-1 K-2。该热电性能与主流的n型高分子热电材料(基于酰胺或酰亚胺结构)的最优性能具有可比性。

C. S. Dong, S. H. Deng, B. Meng*, J. Liu*, L. X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 16184.