酶催化合成聚合物太阳能能电池材料聚噻吩类衍生物

Rencently, the direct conversion of solar energy (solar cells) are attractive renewable energy power sources. Typically, Functionalized polythiophenes are used in organic photovoltaic devices as the donor material owing to their interesting properties. Historically, polymerization catalysts of polythiophenes utilized classical catalysts of transition metals. However, these metal catalysts do not conform with mainstream of the times for the high production cost, rigorous reactions conditions and environmental contamination..In this projects, we plan to use oxido-reductases as catalyst for enzymatic polymerization functionalized polythiophenes, which are used in organic photovoltaic devices as the donor material. Enzymatic polymer synthesis of thiophene-based polymer photovoltaic materials will provide an opportunity to conduct "green polymer chemistry" because enzymatic reactions possess some unique properties including its high catalytic activity, reactions under mild conditions and biodegradable properties. Therefore thiophene-based polymer photovoltaic materials with improved quality and processabilty were designed and synthesized. Furthermore, the mechanism of enzymatic polymer synthesis of thiophene-based polymer and the effect of enzymatic polymer synthesis upon polymer structures and photovoltaic characteristics will also be studied.

当前，太阳能电池光电技术一直是世界各国作为可再生能源的一个研究方向。而聚噻吩类衍生物由于其独特的性能被广泛用作聚合物太阳能电池电子给体材料。但是在传统的合成聚噻吩的方法中，一般采用镍等无机金属催化剂合成，然而无机金属催化剂制作成本高，催化反应条件苛刻，使用后无法降解，对环境不友好，不符合当今绿色环保的时代要求。.本项目拟采用氧化还原酶作为生物催化剂，采用酶催化的方法合成聚合物太阳能电池材料聚噻吩类衍生物，利用酶催化剂相对一般无机的催化剂具有催化效率高、反应条件温和、环境友好等优点，探索一种新的聚合物太阳能电池材料的绿色合成方法。设计合成系列具有优良溶液加工性能及光伏性能的聚噻吩类聚合物太阳能电池材料；阐明酶催化合成聚噻吩类衍生物的聚合反应机理；揭示酶催化的方法对聚合物分子量、分散度和光伏性能的影响。

本项目采用生物酶催化剂成功合成了聚乙撑二氧噻吩类、聚噻吩磺酸类、聚噻吩磷酸类、聚噻吩羧酸类等一系列聚噻吩类衍生物，探索出了一种新的合成聚合物太阳能电池材料聚噻吩类衍生物的绿色合成方法。具体如下：（1）以乙撑二氧噻吩（EDOT）为单体，辣根过氧化酶（HRP）为催化剂，双氧水（H2O2）为氧化剂，聚苯乙烯磺酸钠（PSS）为分散剂，在水相体系中酶催化聚合，得到稳定的PEDOT/PSS水分散体；（2）以3-噻吩乙醇为初始原料，合成得到3-噻吩乙氧基丁基磺酸盐（TEBS），再以TEBS为单体，HRP为催化剂，H2O2为氧化剂，在水相体系中酶催化聚合，得到水溶性的聚（3-噻吩乙氧基丁基磺酸盐）（PTEBS）。（3）以3-甲氧基噻吩为起始原料，合成了3-噻吩氧基乙基磺酸盐（3TOES），再以3TOES为单体，HRP为催化剂，H2O2为氧化剂，在水相体系中酶催化聚合，得到水溶性聚（3-噻吩氧基乙基磺酸盐）P3TOES；（4）以3-甲氧基噻吩为原料，合成得到3-噻吩氧基乙基磷酸，再以3-噻吩氧基乙基磷酸为单体，HRP为催化剂，H2O2为氧化剂，在水相体系中酶催化聚合，得到水溶性聚（3-噻吩氧基乙基磷酸）；（5）以3-溴噻吩为原料，合成得到3-噻吩丙二酸（3TMA），再以3TMA为单体，HRP为催化剂，H2O2为氧化剂，在水相体系中酶催化聚合，得到水溶性的聚（3-噻吩丙二酸）（P3TMA）。同时研究了不同的酶催化剂或者不同的催化条件与聚合反应的结果之间的对应关系，探索了酶催化合成聚噻吩的聚合反应机理问题。表征了这些聚噻吩类衍生物的光电性能特征，对酶催化合成方法对聚噻吩类衍生物光电性能之间的联系规律进行了一定的探讨和研究。. 目前国内外常用的合成聚噻吩的方法中，一般采用镍、钯等无机金属催化剂合成，而生物酶催化剂则表现出许多无机金属催化剂所不可比拟的优势，生物酶具有高效活性，高度选择性，立体专一性等特点，并且酶可在温和的反应条件下催化聚合反应，不需要极端的pH值和温度，在室温条件下即可完成反应，它使用后可被降解，是环境友好的催化剂。因此本项目的成功实施，对太阳能电池材料的绿色合成方法的基础研究有推动意义。本项目发表相关SCI文章3篇，获得国家授权发明专利两项，培养硕士研究生3名，指导本科毕业设计5名，指导大学生科研训练项目两项，获2014年江苏省大学生挑战杯创业计划大赛铜奖。.