具有交替碳-碳单键和三键的二进制编码共轭聚噻吩，可用于可调电致变色和能量存储应用

《Synthetic Metals》：Binary-encoded conjugated polythiophenes with alternating carbon–carbon single and triple bonds for tunable electrochromic and energy storage applications

本研究合成了两种二进制编码的共轭聚合物PCT2T和PCT3T，通过电化学聚合引入单键和三键作为连接基团。PCT2T和PCT3T分别展现出42%和57%的高光学对比度，以及207.16 cm2/C和330.9 cm2/C的优异颜色效率。三键的引入使氧化态光谱红移，并增强了材料的电化学性能，为开发高效可调的多功能器件提供了新策略。

　　在当今科技快速发展的背景下，有机材料因其高度的可调性而受到广泛关注。特别是在智能窗户、节能显示和自供电电子设备等应用领域，有机电致变色储能材料展现出巨大的潜力。这类材料能够在外部电场的作用下实现可逆的颜色变化，这使其成为构建多功能电子设备的理想选择。然而，如何有效地调控这些材料的性能，以满足实际应用的需求，仍然是一个重要的研究课题。

电致变色材料通常具有独特的光学和电化学特性，这些特性可以通过对分子结构的调整来优化。近年来，研究者们尝试通过改变分子结构中的共轭部分来提升材料的性能。例如，通过引入不同的桥接单元，如单键和三键，可以显著影响材料的电致变色和储能行为。研究表明，三键的引入不仅能够延长共轭长度，还能调节电子光谱，从而实现可调的光学吸收和颜色变化效率。此外，三键相较于单键提供了更刚性和更平面的连接方式，有助于增强分子平面性和促进分子间的π-π堆叠，这将提高电荷的离域化和离子的传输能力，从而提升材料的电致变色对比度和储能性能。

在这一研究方向上，科学家们提出了一个创新的分子设计策略。该策略通过二进制编码的方式，区分单键和三键，并将三键作为主要的连接单元引入到长链聚噻吩的主链中。通过这种方式，研究者成功构建了一种类似于二进制结构的聚合物系统，其中单键和三键交替出现在主链上，分别对应二进制数字“0”和“1”。这种结构设计不仅保持了材料的可调性，还显著提升了其电致变色和储能性能。

本研究中合成的两种聚合物，PCT2T和PCT3T，分别展示了优异的电致变色性能和储能能力。其中，PCT2T在750纳米波长下表现出最大光学对比度为42%，而PCT3T则达到了更高的57%。在颜色变化效率方面，PCT2T为207.16平方厘米每库仑，而PCT3T则实现了更高的330.9平方厘米每库仑。这些数据表明，三键的引入对材料的光学和电化学性能具有显著影响，为优化电致变色储能材料提供了有效的策略。

除了通过调整连接位置来调控材料的性能外，直接对噻吩环进行修饰，尤其是3、4位，也是一种有效的手段。这些修饰可以引入共轭结构，从而改变材料的内在特性。例如，Reynolds及其团队通过电化学聚合噻吩衍生物，如3,4-乙二醇噻吩（EDOT）和3,4-二氢-2H-噻吩并[3,4-b][1,4]二氧环戊烯（ProDOT），成功调节了材料的光谱特性、透光率和响应时间。这些研究进一步表明，通过共轭效应的调控，可以将电致变色过渡带有效地移至可见光区域，从而提升材料在实际应用中的表现。

此外，通过在噻吩衍生物中引入给体和受体基团，也是一种常见的调控光学性能的方法。例如，Meng及其团队采用ProDOT作为电致变色核心，并交替连接苯并噻二唑和螺芴单元，通过精确的配方和结构优化，成功将吸收光谱扩展到整个可见光区域，最终实现了全黑的电致变色系统。这些研究为开发高性能的电致变色材料提供了重要的参考。

在本研究中，我们基于先前的研究成果，系统比较了不同桥接单元对共轭聚合物性能的影响。研究结果表明，三键的引入对材料的电致变色和储能性能具有显著影响。通过引入三键，不仅能够延长共轭长度，调节电子光谱，实现可调的光学吸收和颜色变化效率，还能提供更刚性和更平面的连接方式，从而增强分子平面性和促进分子间的π-π堆叠。这些结构特征有望提高材料的电荷离域化和离子传输能力，从而提升其电致变色对比度和储能性能。

为了进一步验证这一策略的有效性，我们对合成的两种聚合物PCT2T和PCT3T进行了系统的电化学和光学表征。结果显示，这两种材料均表现出优异的电致变色性能，具有高光学对比度和颜色变化效率。同时，它们在电化学性能方面也表现出良好的表现，其中PCT3T的面积比电容显著高于PCT2T。这些结果表明，三键的引入对提升材料的电致变色和储能性能具有重要作用，为开发高性能的电致变色储能设备提供了新的思路。

通过本研究，我们不仅成功构建了一种基于二进制编码的聚噻吩聚合物系统，还深入探讨了其结构设计对材料性能的影响。这一创新策略有望推动电致变色储能材料的发展，使其在智能窗户、节能显示和自供电电子设备等应用领域中发挥更大的作用。同时，这也为未来的研究提供了新的方向，即如何通过更精细的结构调控，进一步优化材料的性能，以满足不同应用场景的需求。

总之，本研究通过引入碳-碳三键作为桥接单元，构建了一种新的聚噻吩聚合物系统，显著提升了其电致变色和储能性能。这一策略不仅保持了材料的高度可调性，还为开发高性能的电致变色储能设备提供了有效的解决方案。未来的研究可以进一步探索这种结构设计在其他类型的有机材料中的应用，以及如何通过更精细的调控手段，实现更广泛的功能性。