Design, synthesis, characterization and development of novel organic conducting polymers with technological applications

Abstract

In this thesis, a series of novel organic conducting polymers have been synthesized using alternative methods based on electrochemical techniques, which have allowed to broaden the knowledge in the field of the characterization by means of topological, spectroscopic, electrochemical and structural techniques. Among the variety of synthesis techniques of conducting polymers, layer-by-layer (LbL) has been one of the most important to build multilayered systems. Thus, in this thesis the LbL has shown to be an excellent procedure to explore new applications in the field of energy storage using conducting polymers. On the other hand, recently, the influence of new sustituents on functionalized conducting polymers has been proved to modify the structural, optical and physical properties of conducting polymers. Within this context, synthesis of novel functionalized conducting polymers bearing strong electron-withdrawing sustituents such as cyano group or halide atoms have been widely studied and characterized throughout this thesis. The presence of these substituents have emerged as promising candidates in the field of chemical sensors and electrochromic devices. Although the functionality of polymers or the development of new techniques are excellent procedures to synthesize and to develop new properties on the field of conducting polymers, it is worth mentioning that the substrate plays a crucial role on the electrochemical field. Accordingly, the substrates can also modify and change the properties of conducting polymers during the electropolymerization process. In this way, different substrates were employed in this work with the aim of achieving new applications in the field of corrosion inhibitors and as supercapacitors. Supercapacitors as energy storage device has been an outstanding application during this thesis. Thus, the field of nanotechnology has taken an important part in this thesis through development and design of promising hybrid nanocomposites based on conducting polymers and clay with technological applications and interesting optoelectronic properties. The contribution of theoretical techniques based on quantum mechanical calculations have allowed to predict some electronic and structural properties of conjugated polymers, which could be corroborated experimentally. The quantum mechanics is a useful tool to check experimental results and to understand mechanisms not fully understood at experimental level. Therefore, theoretical calculations have provided promising information to obtain new insights in the field of conducting polymers.

La presente tesis se encuentra focalizada en el estudio de nuevos polímeros conductores orgánicos obtenidos a partir de métodos alternativos basados en principios electroquímicos. Entre los principales métodos de polimerización la técnica conocida como capa-a-capa ha emergido con gran fuerza en los últimos años dada sus numerosas ventajas y propiedades. En este contexto, la síntesis de polímeros conductores mediante este procedimiento permitió comprender y analizar el efecto sinérgico entre capas, consiguientemente la caracterización de estos nuevos materiales a partir de técnicas estructurales, espectroscópicas, morfológicas, electroquímicas y ópticas permitió indagar y desarrollar aplicaciones en diferentes campos tecnológicos tales como la electrónica o la corrosión. Otro de los factores que influyen en las propiedades de los polímeros conductores es el proceso de funcionalización. En esta tesis, la incorporación de grupos funcionales con elevado carácter aceptor de electrones centró una parte importante del trabajo, de este modo, los polímeros conductores funcionalizados con átomos halogenados o mediante el grupo ciano evidenciaron una gran influencia en las propiedades físicas, estructurales, ópticas y morfológicas de las estructuras químicas en tiofeno y pirrol. La modificación de determinadas propiedades en estos polímeros permitió desarrollar componentes basados en sensores químicos o dispositivos electrocrómicos. Acorde a esta temática, la modificación de la superficie juega también un papel importante y crucial en las propiedades de los polímeros conductores durante el proceso de síntesis electroquímica. Análogamente al caso de la funcionalización el estudio de la modificación de la superficie denotó una gran expectativa en el desarrollo de nuevos supercondensadores orgánicos, así como una gran alternativa para aplicación como inhibidores de corrosión. Finalmente, en el ámbito experimental de esta tesis, se han orientado estudios en el campo de la nanotecnología en la síntesis y caracterización de nuevos materiales híbridos nanocompuestos con interesantes propiedades optoelectrónicas y electroquímicas. A nivel teórico, la contribución de cálculos teóricos basados en mecánica quántica permitieron predecir determinadas propiedades electrónicas y estructurales de polímeros conductores, cuyos valores fueron corroborados experimentalmente. Así, la química teórica proporcionó un amplio conocimiento en la exploración y comprensión de los mecanismos estructurales de los polímeros conductores.