JP4487079B2 - Optically active polyaniline, method for electrolytic synthesis thereof, and optically active electrochromic material - Google Patents

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Description

本発明は、アニリンモノマーから合成可能とされ、光学回転角の外部電場による制御も可能とされている光学活性ポリアニリンとその電解合成方法並びにこれを特徴とする光学活性エレクトロクロミック(EC)材に関するものである。   The present invention relates to an optically active polyaniline that can be synthesized from an aniline monomer and that can control an optical rotation angle by an external electric field, an electrolytic synthesis method thereof, and an optically active electrochromic (EC) material characterized by the method. It is.

エレクトロクロミック(EC)材料は、異なる電位条件下で保持する場合に色の変化を示す。ポリチオフェン、ポリピロール、poly(3,4-ethylenedioxythiophene)等の導電性ポリマーは、このようなEC材料に対して無機的EC材料とは異なるアプローチを提供することが知られている。こういったポリマーにイオンを用いてドーピングを行うと、その導電性は半導体に特徴的な挙動から、金属に特徴的な挙動までの範囲となる。ドーピングは電気化学的手順によるものであり、そこではポリマーが電解セルの電極として利用されるが、このセルにはイオン化されることによってドーパントイオンになりうる化合物である電解質が含まれる。この過程により、ポリマーの電子状態に変化が生じ、結果としてEC特性が生じることになる。そして、ポリアニリン(PANI)も有望な導電性ポリマーの一つである。その理由は化学的に安定であり、比較的導電性が高く、ECなどの興味深い光学特性を有しているためである。ここでのECは化学的ならびに電気化学的ドーピングにより生じるものである。たとえば、カンファースルホン酸(CSA)ドープ化PANIの調製が化学的酸化的重合(非特許文献1−3)ならびに電気化学的重合(非特許文献4−5)により行われており、キラルオプティカル性を有するらせん状のポリアニリンが得られている。   Electrochromic (EC) materials exhibit a color change when held under different potential conditions. Conductive polymers such as polythiophene, polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) are known to provide a different approach to such EC materials than inorganic EC materials. When such a polymer is doped with ions, its conductivity ranges from a behavior characteristic of a semiconductor to a behavior characteristic of a metal. Doping is by an electrochemical procedure in which a polymer is utilized as an electrode for an electrolytic cell, which contains an electrolyte, which is a compound that can be ionized to become dopant ions. This process changes the electronic state of the polymer, resulting in EC characteristics. Polyaniline (PANI) is another promising conductive polymer. This is because it is chemically stable, has relatively high conductivity, and has interesting optical properties such as EC. EC here is caused by chemical and electrochemical doping. For example, preparation of camphorsulfonic acid (CSA) -doped PANI has been carried out by chemical oxidative polymerization (Non-patent Documents 1-3) and electrochemical polymerization (Non-patent Documents 4-5). A helical polyaniline is obtained.

CSAでドープ化したポリアニリン(PANI−CSA)はたとえば次式として示される。   Polyaniline doped with CSA (PANI-CSA) is represented, for example, as:

Figure 0004487079
さらに電気化学的重合過程における重合温度の変化によって、キラルなPANIのらせん方向が変化することが知られている(非特許文献6)。また、最近では、光学活性を持つ成分を含む置換PANIの光学活性において、化学的ドーピングによって誘導される変化についての研究が行われている(非特許文献7)。
A.G. MacDiarmid et al., Synth. Met. 65, 103 (1994). S.J. Su et al., Chem. Mater. 13, 4787 (2001). C.Y. Yang et al., Synth. Met. 53, 293 (1993). E.V. Strounina et al., Synth. Met. 106, 129 (1999). W. Li et al., Adv. Func. Mater. 15, 1793 (2005). Y.P. Loom et al., Macromolecules 39, 5604 (2006). H. Goto, Macromol. Chem. Phys. 207, 1087 (2006).
Figure 0004487079
Furthermore, it is known that the helical direction of chiral PANI changes due to a change in polymerization temperature in the electrochemical polymerization process (Non-Patent Document 6). Recently, research has been conducted on changes induced by chemical doping in the optical activity of substituted PANI containing a component having optical activity (Non-patent Document 7).
AG MacDiarmid et al., Synth. Met. 65, 103 (1994). SJ Su et al., Chem. Mater. 13, 4787 (2001). CY Yang et al., Synth. Met. 53, 293 (1993). EV Strounina et al., Synth. Met. 106, 129 (1999). W. Li et al., Adv. Func. Mater. 15, 1793 (2005). YP Loom et al., Macromolecules 39, 5604 (2006). H. Goto, Macromol. Chem. Phys. 207, 1087 (2006).

しかしながら、キラルオプティカル性を有するポリアニリンはエレクトロクロミック(EC)材への応用として注目されるものではあるものの、ポリアニリンのキラルオプティカル性の変化を電気化学的なドーピングにより調節可能とすることはこれまでのところ実現されてきていない。つまり、光学活性の制御が実現されていないのが実情である。   However, although polyaniline having chiral optical property is attracting attention as an application to electrochromic (EC) materials, it has been possible to adjust the change in the chiral optical property of polyaniline by electrochemical doping. However, it has not been realized. That is, the actual situation is that control of optical activity is not realized.

しかもまた、ポリアニリンの電気化学的重合反応は、その操作の簡便性、合理性からも注目されるものであるが、従来のポリアニリンの電解合成ではまず核となるオリゴマーが必要とされ、市販品等として入手容易なポリアニリンモノマーを直接用いることが難しいという問題点があった。   Moreover, the electrochemical polymerization reaction of polyaniline is attracting attention from the simplicity and rationality of its operation, but in the conventional electrolytic synthesis of polyaniline, a core oligomer is required first, and a commercial product, etc. There is a problem that it is difficult to directly use a polyaniline monomer which is easily available as

そこで、本発明は、このような従来の問題点を解消し、オリゴマーを必要とすることなしに、アニリンモノマーを出発物質として、光学活性の制御、たとえば外部電場で能動的に円偏向二色性(CD)や旋光角度の調節を可能とする、光学活性ポリアニリンの新しい電解合成方法を提供し、この方法により得られる新しい光学活性ポリアニリン、そしてこれを用いたエレクトロクロミック(EC)材を提供することを課題としている。   Therefore, the present invention eliminates such conventional problems, and without using an oligomer, the aniline monomer is used as a starting material to control optical activity, for example, circular deflection dichroism actively with an external electric field. To provide a new electrolytic synthesis method of optically active polyaniline capable of adjusting (CD) and optical rotation angle, to provide a new optically active polyaniline obtained by this method, and an electrochromic (EC) material using the same Is an issue.

上記の課題を解決するための本発明の電解合成方法は以下のことを特徴としている。   The electrolytic synthesis method of the present invention for solving the above problems is characterized by the following.

第1:アニリンモノマーを原料として、酸化と還元を連続的に行う反復酸化的な電解重合を光学活性分子のカンファースルホン酸(CSA)の存在下において行うことで光学活性分子ドープポリアニリン薄膜を製造する。 First, an optically active molecule-doped polyaniline thin film is manufactured by performing repeated oxidative electrolytic polymerization in which aniline monomer is used as a raw material in the presence of optically active molecule camphorsulfonic acid (CSA). .

第2:サイクリック・ボルタンメトリーを用いて電解重合を行う。   Second: Electropolymerization is performed using cyclic voltammetry.

第3:上記いずれかの方法において、酸を存在させて電解重合を行い、光学活性エレクトロクロミズム(EC)特性を発現するポリアニリン薄膜を製造する。   Third: In any of the above methods, an acid polymerization is carried out in the presence of an acid to produce a polyaniline thin film that exhibits optically active electrochromic (EC) characteristics.

第4:酸を硫酸とする。 Fourth : Acid is sulfuric acid.

そして、本発明においては、上記の新しい電解合成方法によって以下のものが提供される。   And in this invention, the following is provided by said new electrolytic synthesis method.

すなわち、レドックス過程によって光学活性が調節される光学活性ポリアニリンであり、光学活性エレクトロクロミズム(EC)特性を発現するポリアニリン薄膜である。また、さらには、これらをその構成の一部とする光学活性エレクトロクロミック(EC)材であり、これを用いたエレクトロクロミック装置である。   That is, it is an optically active polyaniline whose optical activity is adjusted by a redox process, and a polyaniline thin film that exhibits optically active electrochromic (EC) characteristics. Further, it is an optically active electrochromic (EC) material having these as a part of its configuration, and an electrochromic device using the same.

上記のとおりの反復酸化的な電解重合、つまり酸化/還元過程の反復としての電解重合、さらに換言すれば電位掃引による電解重合を行う本発明によれば、従来のようにオリゴマーを必要とすることなく、アニリンモノマーを出発物質として光学活性ポリアニリンの電解合成が可能とされ、この電解合成によって、光学活性の制御、特に、外部電場で能動的に円偏向二色性(CD)や旋光角度の調節が可能とされる光学活性ポリアニリンが提供される。つまり、入手容易なアニリンモノマーから光学回転角や明暗を高速で制御可能な新しい光学活性導電性高分子が提供される。   According to the present invention in which the repeated oxidative electropolymerization as described above, that is, the electropolymerization as a repetition of the oxidation / reduction process, in other words, the electropolymerization by potential sweep, an oligomer is required as in the prior art. Therefore, it is possible to electrolyze optically active polyaniline using aniline monomer as a starting material. By this electrosynthesis, it is possible to control optical activity, in particular, actively control circular dichroism (CD) and optical rotation angle with an external electric field. An optically active polyaniline is provided. That is, a new optically active conductive polymer capable of controlling the optical rotation angle and brightness at high speed from an easily available aniline monomer is provided.

たとえば、その具体例として、アニリンはカンファースルホン酸を含む水中で酸化的電気化学重合により重合し、(+)−CSAまたは(−)−CSAを含むポリアニリン(それぞれPANI−(+)−CSAならびにPANI−(−)−CSAと略す)を生じる。このようにして調製されたポリアニリン薄膜は、0.1M硫酸水溶液中における電気化学的還元/酸化に基づいて、強力で整調可能な光学活性を示す。このポリマーの円偏光二色性(CD)ならびに旋光角度は、光変調の形で外部から適用された電位を適切に調節することによって整調することができる。   For example, as specific examples, aniline is polymerized by oxidative electrochemical polymerization in water containing camphorsulfonic acid, and polyaniline containing (+)-CSA or (-)-CSA (PANI-(+)-CSA and PANI, respectively). -(-)-CSA). The polyaniline thin film thus prepared exhibits strong and tunable optical activity based on electrochemical reduction / oxidation in 0.1 M aqueous sulfuric acid. The circular dichroism (CD) as well as the optical rotation angle of this polymer can be tuned by appropriately adjusting the externally applied potential in the form of light modulation.

Faraday回転とKerr回転現象を利用した光変調素子は、現在では光電子メディアや通信用光デバイスに応用されている。本発明の光学活性ポリアニリンによって、光学活性を有するEC特性に基づいた新しい有機光変調素子を創出できる。   Optical modulation elements using Faraday rotation and Kerr rotation are now applied to optoelectronic media and communication optical devices. With the optically active polyaniline of the present invention, a new organic light modulation element based on EC characteristics having optical activity can be created.

本発明の実施の形態について以下に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明の光学活性ポリアニリンの電解合成方法における出発物質(原料)はアニリンモノマーであるが、このものには、アニリンのベンゼン環に許容される各種の置換基を有しているものも含まれる。そして、これらの1種または2種以上のものであってよい。   The starting material (raw material) in the method for electrolytic synthesis of the optically active polyaniline of the present invention is an aniline monomer, and this includes those having various substituents allowed on the benzene ring of aniline. And these may be one kind or two kinds or more.

また、光学活性分子としては、スルホン酸置換基を持つ光学活性分子であるカンファースルホン酸(CSA)が用いられる。 As the optically active molecule, camphorsulfonic acid (CSA) which is an optically active molecule having a sulfonic acid substituent is used.

上記のアニリンモノマーを用いて、本発明では、これらの光学活性分子の存在下に、反復酸化的な電解重合を行い、光学活性分子がドープされたポリアニリン薄膜を製造する。ここで、本発明での「反復酸化的な電解重合」については、電解酸化の過程が繰り返し行われる重合反応を意味している。換言すると前記のとおりの電位掃引による電解酸化重合である。   In the present invention, using the above aniline monomer, repeated oxidative electropolymerization is carried out in the presence of these optically active molecules to produce a polyaniline thin film doped with optically active molecules. Here, “repetitive oxidative electrolytic polymerization” in the present invention means a polymerization reaction in which the process of electrolytic oxidation is repeated. In other words, it is electrolytic oxidation polymerization by the potential sweep as described above.

また、本発明では、上記の反復酸化的電気化学的重合を、酸、たとえばその代表例としての硫酸の存在下に行う。この酸によって、電気化学的なドーピングとデドーピングとが調節されることになる。あるいは二重ドーピングが実現されると言ってもよい。   In the present invention, the above repetitive oxidative electrochemical polymerization is carried out in the presence of an acid, for example, sulfuric acid as a representative example. This acid regulates electrochemical doping and de-doping. Or it may be said that double doping is realized.

本発明のこのような反復酸化的な電解重合は、アニリンモノマーを溶解する媒体を用いて行うことができる。このような溶媒としては、水、あるいは水と有機溶媒との混合系としての溶媒、たとえばアルコール類やTHF、その他の親水性、あるいは極性の有機溶媒との混合としての水性媒体、さらには極性有機溶媒が挙げられる。なかでも水を溶媒とすることが好ましい。   Such repeated oxidative electropolymerization of the present invention can be carried out using a medium in which the aniline monomer is dissolved. Such solvents include water or solvents as a mixture of water and organic solvents, such as alcohols, THF, aqueous media as mixtures with other hydrophilic or polar organic solvents, and polar organics. A solvent is mentioned. Of these, water is preferably used as a solvent.

以上のような本発明の反復酸化的な電解重合は、たとえば、サイクリック・ボルタンメトリー(CV)や、直流電圧の印加の方法等によって可能とされる。そして、成膜性が良好で、均質膜の作成の点で優れているサイクリック・ボルタンメトリー(CV)を用いることで好適に実施可能とされる。このような電気化学的重合のためのシステム、装置は、電極の構成をはじめとして公知のものを応用することができる。   The repetitive oxidative electrolytic polymerization of the present invention as described above is made possible by, for example, cyclic voltammetry (CV), a method of applying a DC voltage, or the like. And it can be suitably implemented by using cyclic voltammetry (CV), which has good film formability and is excellent in producing a homogeneous film. As such a system and apparatus for electrochemical polymerization, well-known ones including the electrode configuration can be applied.

たとえば図1は、CVの電解合成のための装置概要を示したものである。生成ポリマーが表面に析出する作用電極と、その対向電極、そして参照電極を有する電解槽中にアニリンのモノマーを含む電解液が導入されて通電されることにより電解合成が行われる。   For example, FIG. 1 shows an outline of an apparatus for electrolytic synthesis of CV. Electrolytic synthesis is carried out by introducing an electrolytic solution containing an aniline monomer into an electrolytic cell having a working electrode on which the produced polymer is deposited, a counter electrode, and a reference electrode, and energizing it.

カンファースルホン酸(CSA)と硫酸を用いるCVの電解合成の場合には、たとえば以下のような条件範囲が一般的に考慮される。   In the case of electrolytic synthesis of CV using camphorsulfonic acid (CSA) and sulfuric acid, for example, the following condition ranges are generally considered.

CSA:0.1〜5M(モル)
硫酸:0.01〜1M(モル)
硫酸/CSA(モル比):0.01〜1.0
アニリン:0.01〜3M(モル)
アニリン/CSA(モル比):0.1〜5.0
液温:0〜50℃
電圧:−1.22V〜1.22V
電流:任意
なお、電圧を掃印した際に、重合にあわせてアニリンが電流を消費することになるが、通常その電流は小さく、たとえば10mA/cm以下である。
CSA: 0.1-5M (mol)
Sulfuric acid: 0.01-1M (mol)
Sulfuric acid / CSA (molar ratio): 0.01 to 1.0
Aniline: 0.01-3M (mol)
Aniline / CSA (molar ratio): 0.1-5.0
Liquid temperature: 0-50 ° C
Voltage: -1.22V to 1.22V
Current: Arbitrary When the voltage is swept, aniline consumes current in accordance with polymerization, but the current is usually small, for example, 10 mA / cm or less.

なお、EC(エレクトロクロミック)特性を見る場合には、図1の装置において、アニリンモノマーおよびCSAを含まない、硫酸水溶液あるいは電解質を含む有機溶媒を用いた電解液に変更することにより可能となる。   The EC (electrochromic) characteristics can be observed by changing to the electrolytic solution using an organic solvent containing an aqueous solution of sulfuric acid or an electrolyte containing no aniline monomer and CSA in the apparatus of FIG.

たとえば、本発明の光学活性ポリアニリンをEC素子として利用する場合には硫酸水溶液と接触させた形態とすることが好ましい。なお、エレクトリックジェルと呼ばれている手段が知られているが、たとえば図2に示したように、このゲル状体に硫酸あるいはテトラブチルアンモニウムパークロレート、テトラブチルアンモニウムフルオレート、リチウムペンタフルオロアーセナイド、食塩などの支持塩を溶解させ、これを、光学活性ポリアニリンのポリマー層とともにITOガラス等の導電性ガラスにサンドイッチさせ、二極法(参照電極を用いず、アノードおよびカソードのみからなる電極系)で、0〜1.3V間で電位のスイッチングを行なうことにより光学回転可能なECデバイスとすることもできる。   For example, when the optically active polyaniline of the present invention is used as an EC element, it is preferable that the optically active polyaniline is brought into contact with a sulfuric acid aqueous solution. Means called an electric gel is known. For example, as shown in FIG. 2, sulfuric acid or tetrabutylammonium perchlorate, tetrabutylammonium fluoride, lithium pentafluoroarsenate is added to the gel. A supporting salt such as id and salt is dissolved, and this is sandwiched with conductive glass such as ITO glass together with a polymer layer of optically active polyaniline, and the bipolar method (electrode system consisting only of an anode and a cathode without using a reference electrode) ), An EC device capable of optical rotation can be obtained by switching the potential between 0 and 1.3V.

そこで以下に実施例に沿ってさらに詳しく説明する。もちろん、以下の例示説明によって本発明が限定されることはない。   Therefore, a more detailed description will be given below along the embodiments. Of course, the present invention is not limited by the following explanation.

アニリン(モノマー)の酸化的電気化学的重合を、0.1Mアニリンを含む水中において0.5M(+)−または(−)−CSAの存在下で実施した。3個の電解セルを用いて電気化学的重合過程を行った。このセルの構成要素は透明なインジウム−スズ酸化物(ITO)でコーティングされたガラス製作用電極、ITO対向電極、飽和カロメル電極(SCE)の基準電極である。SCEに対し0Vから1.1Vまでの電圧の範囲にわたるサイクリック・ボルタンメトリーを用いた反復酸化的重合によって、PANI−CSAがITOガラス上に沈着した。0.47Vで電流の増加が生じたが、これはピークモノマー酸化電位を示している。反復スキャンの途中でこの値はアノード側の方向にシフトした(5回目のスキャンで0.50V)。5回目のスキャン後に、ポリマーでコーティングされた電極を減圧条件下で乾燥させ、続いて水とアセトンで薄膜を洗浄し、モノマーフリーの0.1M硫酸水溶液中に入れて、分光電気化学的特徴を調べた。このようにして得られたポリマーであるPANI−(+)−CSAとPANI−(−)−CSAについて、サイクリック・ボルタンメトリーと紫外線・可視吸光分析の組み合わせ、あるいは円偏光二色性(CD)分光法により特徴分析を行い、これらの電気活性ならびに光学的特性を明らかにした。   Oxidative electrochemical polymerization of aniline (monomer) was carried out in water containing 0.1 M aniline in the presence of 0.5 M (+)-or (-)-CSA. The electrochemical polymerization process was performed using three electrolytic cells. The components of this cell are a glass working electrode coated with transparent indium-tin oxide (ITO), an ITO counter electrode, and a saturated calomel electrode (SCE) reference electrode. PANI-CSA was deposited on ITO glass by repeated oxidative polymerization using cyclic voltammetry over a voltage range from 0V to 1.1V relative to SCE. An increase in current occurred at 0.47 V, indicating the peak monomer oxidation potential. During the repeated scan, this value shifted toward the anode side (0.50 V in the fifth scan). After the fifth scan, the polymer-coated electrode is dried under reduced pressure, followed by washing the thin film with water and acetone and placing it in a monomer-free 0.1 M aqueous sulfuric acid solution to characterize the spectroelectrochemical features. Examined. For the polymers thus obtained, PANI-(+)-CSA and PANI-(-)-CSA, a combination of cyclic voltammetry and ultraviolet / visible absorption analysis, or circular dichroism (CD) spectroscopy. Characteristic analysis was performed by the method, and their electrical activity and optical properties were clarified.

PANI−(+)−CSAとPANI−(−)−CSAの両者のレドックス挙動を明らかにして、これらのポリマーが同一の基本的な化学構造を有することを示した。図3に示すのは、(+)−CSA(実線)と(−)−CSA(点線)存在下におけるアニリンの電気化学的重合過程の途中で生じた465nmでのCD強度の変化であり、初回スキャンから5回目のスキャンに至るまでの主鎖のπ−π遷移における吸収帯に対応している。電極におけるサイクリック・ボルタンメトリーにより生じる反復性の三角波印加電圧により、ITO基質上にポリマー薄膜が形成され、この過程によってCD強度変化が生じる。 Revealing the redox behavior of both PANI-(+)-CSA and PANI-(-)-CSA indicated that these polymers have the same basic chemical structure. FIG. 3 shows the change in CD intensity at 465 nm that occurred during the electrochemical polymerization process of aniline in the presence of (+)-CSA (solid line) and (−)-CSA (dotted line). This corresponds to the absorption band in the π-π * transition of the main chain from the scan to the fifth scan. A repetitive triangular wave applied voltage generated by cyclic voltammetry at the electrode forms a polymer thin film on the ITO substrate, and this process causes a change in CD intensity.

最初のスキャン時にはCDシグナルは観察されなかったが、2度目のスキャンにより強度がわずかに増加した。5回のスキャンによって460nmに強いCDシグナルが得られたが、これはITO上のポリマーに見られる437nm吸収帯に対応している[図5(C)参照]。反復スキャンにより薄膜の厚みが増加しており、従ってCDスペクトルの強度はスキャン回数に伴い増加している。各サイクルの酸化的過程(電位=0Vから1.1V)の途中でこのCD強度は減少した。これはおそらく酸化的過程の途中でポリマーの主鎖の長さが実際に増加し、同時に主鎖の平面キノイド性質が現れたことが原因であろう。この平面構造は片手らせん状のねじれ量を減少させ、その結果重合過程における1.1V条件下でポリマーの光学活性を抑制する。これとは逆に還元過程(電位=1.1Vから0V)の途中ではポリマーのCD強度は強化されるが、これはキノイド構造がベンゼノイド構造に変換され、ポリマーが成長しないためである。この現象はモノマーフリーの電気化学的ポリマードーピング−デドーピング過程の途中におけるin situ CD分光分析においても観察される(後述)。重合は凹凸CDサイクルの反復と共に進行し、ポリマーの総CD強度が増大する。   No CD signal was observed at the first scan, but the intensity increased slightly with the second scan. A strong CD signal at 460 nm was obtained by 5 scans, which corresponds to the 437 nm absorption band seen in the polymer on ITO [see FIG. 5 (C)]. The thickness of the thin film increases due to repeated scanning, and therefore the intensity of the CD spectrum increases with the number of scans. This CD intensity decreased during the oxidative process of each cycle (potential = 0V to 1.1V). This is probably due to the fact that the length of the polymer main chain actually increased during the oxidative process and at the same time the planar quinoid nature of the main chain appeared. This planar structure reduces the amount of one-handed helical twist and consequently suppresses the optical activity of the polymer under 1.1V conditions in the polymerization process. On the other hand, the CD intensity of the polymer is strengthened during the reduction process (potential = 1.1 V to 0 V), because the quinoid structure is converted into a benzenoid structure and the polymer does not grow. This phenomenon is also observed in in situ CD spectroscopic analysis during the monomer-free electrochemical polymer doping-de-doping process (described later). Polymerization proceeds with repeated concavo-convex CD cycles, increasing the total CD intensity of the polymer.

図4は、モノマーフリーのポリアニリン−(−)−カンファースルホン酸〔PANI−(−)−CSA〕のサイクリック・ボルタノグラム(CV)を、スキャンレート:10mV・S-2の条件の場合として示したものである。CVは、0.1M硫酸水溶液中で計測している。 FIG. 4 shows a cyclic voltammogram (CV) of monomer-free polyaniline-(−)-camphor sulfonic acid [PANI-(−)-CSA] under the condition of a scan rate of 10 mV · S −2 . Is. CV is measured in 0.1 M sulfuric acid aqueous solution.

この図4では、モノマーフリーのポリマーは0.45Vと0.73Vの酸化電位において明確で準可逆的なレドックス過程を示すが、これはそれぞれ硫酸によるポーラロンとバイポーラロンの生成に関連している。また、図4に示すように、0.63Vと0.34Vの還元電位が観察された。サイクリック・ボルタモグラム(CV)によって、硫酸によるPANIの電気化学的ドーピング−デドーピングが示されているが、PANI上でのCSA脱離に関連する特徴は全く観察されなかった。   In FIG. 4, the monomer-free polymer exhibits a clear and quasi-reversible redox process at oxidation potentials of 0.45 V and 0.73 V, which is associated with the formation of polarons and bipolarons by sulfuric acid, respectively. In addition, as shown in FIG. 4, reduction potentials of 0.63 V and 0.34 V were observed. Cyclic voltammogram (CV) shows the electrochemical doping-de-doping of PANI with sulfuric acid, but no features related to CSA desorption on PANI were observed.

吸光度とCDスペクトルによりPANI−(+)−CSAとPANI−(−)−CSAの光学的性質を調べるため、ITO上のポリマー薄膜をキュベット内部に移して分光電気化学的分析を行った。0.1M硫酸水溶液中で、図5に示すように、SCEに対し0.2Vから0.7Vの範囲で様々な電圧を加えた条件下で、一連のin situ CD吸収スペクトルを測定した。   In order to investigate the optical properties of PANI-(+)-CSA and PANI-(−)-CSA by absorbance and CD spectrum, the polymer thin film on ITO was transferred into the cuvette and subjected to spectroelectrochemical analysis. In 0.1 M sulfuric acid aqueous solution, as shown in FIG. 5, a series of in situ CD absorption spectra were measured under conditions in which various voltages were applied in the range of 0.2 V to 0.7 V with respect to SCE.

図5(C)に示す分光電気化学分析の結果から分かるように、440nmにおけるPANI主鎖のπ−π*遷移は、硫酸存在下での電気化学的ドーピング(印加電圧の増加)時に減少するが、一方でドーピングバンド(>700nm)は増加する。これと同時にポリマーのCD強度は電気化学的ドーピングによって変化するが、この様子は図5(A)ならびに図5(B)に示されている。PANI−(+)−CSAとPANI−(−)−CSAはこの0.2Vでニュートラルな状態(デドープされた形の)主鎖のπ−π遷移領域における相補的鏡像コットン効果を示しているが、これは2個のポリマーが同程度であるけれども逆向きのキラリティを有していることを示している。酸化状態(ドーピングされた状態)ではポリマーのCDスペクトルは強度の減少を示した。キラルドーパントとしてCSAを用いたためにPANI−(+)−CSAとPANI−(−)−CSAの間の相補的鏡像関係が生じているという可能性は否定されるが、その理由は、CSAのコットン効果が観察されるのが紫外線領域の波長に限られるためである。 As can be seen from the results of the spectroelectrochemical analysis shown in FIG. 5 (C), the π-π * transition of the PANI main chain at 440 nm decreases during electrochemical doping (increase in applied voltage) in the presence of sulfuric acid. On the other hand, the doping band (> 700 nm) increases. At the same time, the CD intensity of the polymer changes with electrochemical doping, and this is shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B). PANI-(+)-CSA and PANI-(-)-CSA show complementary mirror-image cotton effects in the π-π * transition region of this 0.2V neutral state (dedoped form) backbone However, this indicates that the two polymers are comparable but have opposite chirality. In the oxidized state (doped state), the CD spectrum of the polymer showed a decrease in intensity. The possibility that a complementary mirror image relationship between PANI-(+)-CSA and PANI-(-)-CSA has occurred due to the use of CSA as a chiral dopant is due to the fact that CSA cotton This is because the effect is observed only at wavelengths in the ultraviolet region.

いずれのPANI−CSAも、薄緑がかった黄色の還元型(硫酸によりデドープされたもの)と濃青色の酸化型(硫酸によりドープされたもの)の間で切り替わる。初期のポリアニリンが重合化後、CSAにより半分ドーピングされた状態であると考えても良い。例えばSCEに対して0.2Vの印加電圧条件下におけるPANI−(−)−CSAは電気化学的にはデドープされた状態にあるが、それでも長波長側にドーピングバンドを示している。この広範囲の吸収帯は数百回にわたるドーピング−デドーピング過程を経た後にも観察される。ここでCSAはたとえ電気化学的還元過程を経た後であっても、静的相互作用によってポリアニリンのN−位置に結合しているが、ポリアニリンの全ての窒素原子がCSAに占有されている訳ではない。主鎖において、硫酸によるさらなるドーピングが起きることでキラリティの変化が生じる。言い換えればCSAにより半分ドーピングされたポリアニリンは、さらに硫酸による酸ドーピングを受けることができる。この電気化学的二重ドーピング過程の結果として、スペクトルの変化が生じる。   Both PANI-CSAs switch between a light greenish yellow reduced form (dedoped with sulfuric acid) and a dark blue oxidized form (doped with sulfuric acid). It may be considered that the initial polyaniline is half-doped with CSA after polymerization. For example, PANI-(−)-CSA under an applied voltage of 0.2 V with respect to SCE is electrochemically dedoped, but still shows a doping band on the long wavelength side. This broad absorption band is also observed after hundreds of doping-de-doping processes. Here, CSA is bonded to the N-position of polyaniline by static interaction even after undergoing an electrochemical reduction process, but not all nitrogen atoms of polyaniline are occupied by CSA. Absent. In the main chain, further doping with sulfuric acid occurs resulting in a change in chirality. In other words, polyaniline half-doped with CSA can be further subjected to acid doping with sulfuric acid. As a result of this electrochemical double doping process, a spectral change occurs.

電気活性を有する導電性高分子の光スイッチングが開発されて、ポリマーECデバイスに用いられている。そこで、0Vから0.9Vの範囲での電圧スキャニング途中におけるPANI−CSAのCD強度を見ると、図6に示すように可逆的で対称的な変化を生じている。CDに見られるこの電気化学的なレドックス誘導性の変化は、主鎖が硫酸によって電気化学的ドーピング/デドーピングを受けていることが原因であるとするならばうまく説明できる。この結果から、ポリマーは可逆的な光学活性エレクトロクロミズムを呈することが示される。   Optical switching of electrically active conducting polymers has been developed and used in polymer EC devices. Therefore, when the CD intensity of the PANI-CSA during the voltage scanning in the range of 0V to 0.9V is seen, a reversible and symmetrical change occurs as shown in FIG. This electrochemical redox-induced change seen in CD can be well explained if it is due to the main chain being electrochemically doped / dedoped with sulfuric acid. This result indicates that the polymer exhibits reversible optically active electrochromism.

460nm条件下でのCD強度は、SCEに対して0.9Vの印加電圧条件下で最低となり(ドーピング化状態)、いずれのポリマーもコットン効果を示し、PANI−(+)−CSAは陰性、PANI−(−)−CSAは陽性であった。SCEに対して0Vの印加電圧では還元状態が生じるが、これによってその後に460nm条件下でのCD強度が増加する。従ってレドックス過程を調節することにより、CD強度を可逆的に変化させることができる。   The CD intensity under the condition of 460 nm is lowest under an applied voltage of 0.9 V with respect to SCE (doping state), both polymers show a cotton effect, PANI-(+)-CSA is negative, PANI -(-)-CSA was positive. A reduced state occurs at an applied voltage of 0 V with respect to SCE, which subsequently increases the CD intensity under 460 nm conditions. Therefore, the CD intensity can be reversibly changed by adjusting the redox process.

図7に示すのは、さまざまな印加電圧条件下におけるPANI−(+)−CSAとPANI−(−)−CSAの旋光分散(ORD)スペクトルである。これらのORDスペクトルは、PANI−(+)−CSAとPANI−(−)−CSAのCDスペクトルをクラマース・クローニヒ(K−K)変換することにより得られる。酸化(ドーピング)後の還元(デドーピング)により、428nmと482nmの旋光シグナルが現れた。   FIG. 7 shows optical rotatory dispersion (ORD) spectra of PANI-(+)-CSA and PANI-(−)-CSA under various applied voltage conditions. These ORD spectra are obtained by performing a Kramers-Kronig (KK) conversion of the CD spectra of PANI-(+)-CSA and PANI-(−)-CSA. Reduction (de-doping) after oxidation (doping) resulted in optical rotation signals of 428 nm and 482 nm.

還元性電位を加えることによって、これらのピークは還元状態において観察される本来の強度に復帰する。このことから当該ポリマーは電気光学的活性を有しており、電気化学的過程により旋光度を調節することが可能であることが示される。外部からの印加電圧をうまく調節することによって、ポリマーの旋光角を紫外・可視領域内で調節できる。この性質はKerrデバイスやFaraday旋光器の機能性と同等である。電気化学的ドーピング-デドーピング過程により光学活性が調節される。このポリマーに観察される旋光性の調節は、この過程の結果として生じる電子状態の変化が原因となっている。   By applying a reducing potential, these peaks return to the original intensity observed in the reduced state. This indicates that the polymer has electro-optical activity, and the optical rotation can be adjusted by an electrochemical process. By properly adjusting the externally applied voltage, the optical rotation angle of the polymer can be adjusted in the ultraviolet / visible region. This property is equivalent to the functionality of Kerr devices and Faraday rotators. The optical activity is adjusted by the electrochemical doping-de-doping process. The optical rotation adjustment observed in this polymer is due to changes in the electronic state that occur as a result of this process.

サイクリック・ボルタンメトリー(CV)による電解重合のための装置構成を例示した概要図である。It is the schematic which illustrated the apparatus structure for the electropolymerization by cyclic voltammetry (CV). EC素子の構成例を示した概要図である。It is the schematic which showed the structural example of EC element. (+)−CSA(実線)ならびに(−)−CSA(点線)存在下におけるアニリンの電気化学的重合過程の途中で生じた465nmでのCD強度変化を示した図である。アニリンモノマー(0.1M)、(+)−カンファースルホン酸(0.5M)または(−)−カンファースルホン酸(0.5M)、SCE(基準電極)、ITO対向電極と作用電極を使用した。キラルオプティカルポリマーが作用電極上に沈着した。It is the figure which showed the CD intensity change at 465 nm produced in the middle of the electrochemical polymerization process of aniline in the presence of (+)-CSA (solid line) and (-)-CSA (dotted line). Aniline monomer (0.1M), (+)-camphorsulfonic acid (0.5M) or (-)-camphorsulfonic acid (0.5M), SCE (reference electrode), ITO counter electrode and working electrode were used. A chiral optical polymer was deposited on the working electrode. モノマーフリーのポリアニリン−(−)−カンファースルホン酸[PANI−(−)−CSA]のサイクリック・ボルタノグラム(CV)である。スキャンレート:10mV・s−2。PANI−(−)−CSAのCVは0.1M硫酸水溶液中で計測した。It is a cyclic voltammogram (CV) of monomer-free polyaniline-(−)-camphorsulfonic acid [PANI-(−)-CSA]. Scan rate: 10 mV · s −2 . The CV of PANI-(−)-CSA was measured in a 0.1 M aqueous sulfuric acid solution. SCEに対してさまざまな印加電圧を加えた条件下で、ITOコーティングガラス基質上に生じたPANI−(+)−CSA(A)とPANI−(−)−CSA(B)のin-situ CDと吸収スペクトル図である。これらのスペクトルは0.1M硫酸水溶液中で計測した。In-situ CDs of PANI-(+)-CSA (A) and PANI-(-)-CSA (B) produced on an ITO-coated glass substrate under various applied voltages to SCE It is an absorption spectrum figure. These spectra were measured in a 0.1 M aqueous sulfuric acid solution. 0.1M硫酸水溶液中においてSCEに対して0Vから0.9Vの印加電圧を加えた場合にITOコーティングガラス基質上に生じたモノマーフリーのPANI−(+)−CSA(青線)とPANI−(−)−CSA(赤線)について、460nmでモニターしたCD強度の反復変化を示した図である。。三角波の印加電圧はサイクリック・ボルタンメトリーを用いて発生させた。Monomer-free PANI-(+)-CSA (blue line) and PANI- (produced on an ITO-coated glass substrate when an applied voltage of 0 V to 0.9 V was applied to SCE in 0.1 M sulfuric acid aqueous solution. It is the figure which showed the repetitive change of CD intensity monitored at 460 nm about-)-CSA (red line). . The applied voltage of the triangular wave was generated using cyclic voltammetry. さまざまな印加電圧を加えた場合にITOコーティングガラス基質上に生じたPANI−(+)−CSA(A)とPANI−(−)−CSA(B)のin-situ ORDスペクトルである。ORDスペクトルはCDスペクトルをクラマース・クローニヒ(K−K)変換して算出した。It is an in-situ ORD spectrum of PANI-(+)-CSA (A) and PANI-(-)-CSA (B) generated on an ITO-coated glass substrate when various applied voltages are applied. The ORD spectrum was calculated by converting the CD spectrum into Kramers-Kronig (KK).

Claims (6)

アニリンモノマーを原料として、酸化と還元を連続的に行う反復酸化的な電解重合を光学活性分子のカンファースルホン酸(CSA)の存在下において行うことで光学活性分子ドープポリアニリン薄膜を製造することを特徴とする光学活性ポリアニリンの電解合成方法。 An optically active molecule-doped polyaniline thin film is produced by performing repeated oxidative electrolytic polymerization in which aniline monomer is used as a raw material in the presence of the optically active molecule camphorsulfonic acid (CSA). An electrolytic synthesis method of optically active polyaniline. サイクリック・ボルタンメトリーを用いて電解重合を行うことを特徴とする請求項1に記載の光学活性ポリアニリンの電解合成方法。   2. The method for electrolytic synthesis of optically active polyaniline according to claim 1, wherein the electrolytic polymerization is carried out using cyclic voltammetry. 請求項1または2に記載の方法において、酸を存在させて電解重合を行い、光学活性エレクトロクロミズム(EC)特性を発現するポリアニリン薄膜を製造することを特徴とする光学活性ポリアニリンの電解合成方法。   3. The method of electrosynthesis of optically active polyaniline according to claim 1 or 2, wherein a polyaniline thin film exhibiting optically active electrochromic (EC) characteristics is produced by performing electropolymerization in the presence of an acid. 酸が硫酸であることを特徴とする請求項3に記載の光学活性ポリアニリンの電解合成方法。The method for electrolytic synthesis of optically active polyaniline according to claim 3, wherein the acid is sulfuric acid. 請求項1から4のうちのいずれかに記載の方法により合成され、レドックス過程によって光学活性が調節され、光学活性エレクトロクロミズム(EC)特性を発現する光学活性ポリアニリンの薄膜がその構成の少なくとも一部とされているエレクトロクロミック(EC)材であって、外部電場による光学回転角の制御が可能とされていることを特徴とする光学活性エレクトロクロミック(EC)材。An optically active polyaniline thin film synthesized by the method according to any one of claims 1 to 4 and having optical activity adjusted by a redox process and exhibiting optically active electrochromic (EC) characteristics is at least a part of the structure. An optically active electrochromic (EC) material characterized in that an optical rotation angle can be controlled by an external electric field. 請求項5に記載の光学活性エレクトロクロミック(EC)材が用いられていることを特徴とするエレクトロクロミック装置。An electrochromic device using the optically active electrochromic (EC) material according to claim 5.
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