聚苯胺導(dǎo)電聚合物膜的制備及表征

1、acta chimica sinica化 學(xué) 學(xué) 報(bào)研究論文article聚苯胺導(dǎo)電聚合膜的制備及表征朱虹文 魯嘉樂 劉璇 王藝翔 黃建涵* （中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,長沙,410083）摘要: 在 1.0-1.2 v 聚合電位下以ito玻璃為基體合成聚苯胺,并且對其進(jìn)行電化學(xué)性能表征和紫外吸收研究.循環(huán)伏安曲線結(jié)果表明 ph 值越小,即酸性越大,其氧化還原峰越多,且越明顯.說明苯胺的氧化還原反應(yīng)和溶液的 ph 值有關(guān),酸度越大,聚苯胺越容易發(fā)生氧化還原反應(yīng),反之則越難發(fā)生氧化還原反應(yīng),這可能與聚苯胺的導(dǎo)電性機(jī)理有關(guān).紫外吸收曲線在 450 nm 和 800 nm 處出現(xiàn)吸收峰,原因是聚苯胺中苯

2、環(huán)結(jié)構(gòu)中-*躍遷和極子帶 -* 躍遷.關(guān)鍵詞: 聚苯胺導(dǎo)電聚合膜; 循環(huán)伏安曲線; 氧化還原; 紫外吸收曲線 preparation and characterization of polyaniline conducting polymer film zhu,hongwen lu, jiale liu, xuan wang, yixiang huang, jianhan*( college of chemistry and chemical engineering, central south university, changsha 410083)abstract employing it

3、o glass as a substrate, we synthesize polyaniline at 1.0-1.2 v polymerization potential on ithe were electrochemical characterization and purple outside. cycle volt-ampere curve showed that the smaller the ph value, that is, the greater the acidity, the oxidation reduction peak is more and more obvi

4、ous. it is suggested that oxidation and reduction of aniline is concerned with the solution ph value.with acidity increasing, polyaniline is prone to oxidation reduction reaction, conversely, the more difficult the oxidation reduction reaction will be, which may be related to the conductive mechanis

5、m of polyaniline. ultraviolet absorption curve of absorption peaks appear in the 450 nm and 800 nm. this is because of that polyaniline in benzene ring in the structure of pi pi * transition and subband pi * transition. keyword polyaniline conducting polymer film; cyclic voltammetry; redox; uv absor

6、ption curve 化 學(xué) 學(xué) 報(bào)研究論文1 引言在眾多導(dǎo)電高分子材料中,聚苯胺（pani） 具有原料易得,合成過程簡單,導(dǎo)電性優(yōu)良等特點(diǎn), 已成為目前最具應(yīng)用前景的導(dǎo)電聚合物材料之一1.1984 年,macdiarmid 提出了被廣泛接受的苯式（還原單元）和醌式（氧化單元）結(jié)構(gòu)共存的模型.隨著兩種結(jié)構(gòu)單元的含量不同,聚苯胺處于不同程度的氧化還原狀態(tài),并可以相互轉(zhuǎn)化.不同氧化還原狀態(tài)的聚苯 胺可通過適當(dāng)?shù)膿诫s方式獲得導(dǎo)電聚苯胺2.聚苯胺有許多性能,如導(dǎo)電性,氧化還原性,催化性能,電致變色行為,質(zhì)子交換性質(zhì)及光電性質(zhì),最重要的是導(dǎo)電性及電化學(xué)性能.經(jīng)一定處理后,可制得各種具有特殊功能的設(shè)備和

7、材料,如可作為生物或化學(xué)傳感器 的尿素酶傳感器,電子場發(fā)射源,較傳統(tǒng)鋰電極材料 在充放電過程中具有更優(yōu)異的可逆性的電極材料,選擇性膜材料,防靜電和電磁屏蔽材料,導(dǎo)電纖維,防腐材料等等3. 導(dǎo)電聚苯胺具有較好的電磁屏蔽和微波吸收性能,如聚苯胺/聚氯乙烯導(dǎo)電共混材料的電磁屏蔽常數(shù)大于 50 db.在二次電池(塑料電池) 中使用聚苯胺具有良好的充放電效果, 循環(huán)充電2000 次,庫侖效率接近100%. 導(dǎo)電聚苯胺是一種良好的金屬防腐蝕材料, 同時還是較好的防污材料,可在艦船上廣泛應(yīng)用.另外,聚苯胺還有電致變色,電子發(fā)光等可被將來利用的性能4.聚苯胺存在著多種合成方法,如化學(xué)氧化聚合法,電化學(xué)聚合法,

8、現(xiàn)場聚合法,縮合聚合法等,主要分為化學(xué)法和電化學(xué)法5.與化學(xué)法相比,電化學(xué)法合成具有以下優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)設(shè)備通用,反應(yīng)條件溫和,易于控制產(chǎn)品純度高,污染小;電化學(xué)聚合與電化學(xué)摻雜可以一步完成等.本實(shí)驗(yàn)通過電化學(xué)聚合法中的恒電位法實(shí)行聚苯胺的合成,并且對其進(jìn)行電化學(xué)性能表征和紫外吸收研究.2 結(jié)果與討論2.1 不同電壓下聚苯胺導(dǎo)電薄膜制備按要求配制電解液,連接好電沉積裝置后,設(shè)置相應(yīng)參數(shù)分別在不同電位下制備聚苯胺薄膜,如圖1所示,圖中從左到右依次為1.0v,1.1v,1.2v下所得的產(chǎn)品,隨著沉積電壓增大,膜生長速度變快,所得膜均一性增加,膜厚度也增大,可能由于沉積電位增大有利于晶核的形成與生長,使沉

9、積效果變好. 圖 1 不同電壓下所制備的聚苯胺導(dǎo)電薄膜對不同電壓下的i-t曲線如圖2所示,可知隨著沉積電位增大,電流不斷增大,且1.1v,1.2v的曲線分別呈現(xiàn)出電流平臺,可知已出現(xiàn)均勻成膜狀態(tài),所得膜相對較均勻一致. 圖 2 不同電壓下的i-t曲線2.2 聚苯胺導(dǎo)電薄膜性能表征2.2.1 紫外吸收曲線 取1.1v下制備的兩個膜分別溶解于等量的水與乙醇溶液中,在300-800nm范圍內(nèi)對其進(jìn)行掃描,可得紫外吸收曲線如圖3所示,由于兩膜均在同一條件下制備且溶于等量溶液中,兩曲線峰形及吸光度相同,曲線幾乎完全重合,吸收曲線在 450,800nm處有吸收峰. 圖 3 1.1v下產(chǎn)品紫外吸收曲線2.2

10、.2 循環(huán)伏安曲線 圖 4 不同ph下的循環(huán)伏安曲線 表 1 pan存在形式及其顏色性質(zhì)一覽表將1.1v下所制備的薄膜分別置于濃度為0.5mol/l,0.05mol/l,0.005mol/l的硫酸溶液中,掃描范圍為-0.4-1.0v,掃速為500mv/s,可得曲線如圖4所示.由圖可知,在 0.5 mol/l 硫酸中,聚苯胺的循環(huán)伏安曲線的氧化還原峰數(shù)量相對較多,形狀較明顯,這說明在此條件下,苯胺比較容易發(fā)生氧化還原反應(yīng).在0.05 mol/l 硫酸中,聚苯胺的循環(huán)伏安曲線中,明顯的氧化還原反應(yīng)的峰只有一個.原因是 ph 增大,其氧化還原反應(yīng)減弱.在 0.005 mol/l 硫酸中,氧化還原峰少

11、且峰的情況不明顯,這說明在此條件下,苯胺不容易發(fā)生氧化還原反應(yīng).在掃描過程中,可清晰觀察到薄膜顏色有綠到藍(lán)到紫的變化趨勢,這是由于在不同電壓下,聚苯胺有不同的電結(jié)構(gòu)所造成的,如表1所示.在c=0.5 mol/l的溶液中薄膜顏色變化較明顯,在c=0.05 mol/l的溶液中樣品也會隨掃描的進(jìn)行發(fā)生顏色變化,而在c=0.005 mol/l的溶液中則無較明顯的顏色變化,也可說明在苯胺的氧化還原反應(yīng)和溶液的 ph 值有關(guān),酸度越大,聚苯胺越容易發(fā)生氧化還原反應(yīng),反之則越難發(fā)生氧化還原反應(yīng). 硫酸濃度（mol/l）ph響應(yīng)電位（v）0.500.540.0510.630.00520.70表 2 不同ph溶

12、液中聚苯胺膜的峰電位 圖 5 ph與峰電位的關(guān)系曲線由上述循環(huán)伏安曲線找出各ph下的峰電位值,如表2所示,可得ph與峰電位的曲線,如圖5所示,可得其滿足線性關(guān)系,也可說明ph與聚苯胺發(fā)生氧化還原反應(yīng)的能力.3 結(jié)論在 1.0-1.2 v 聚合電位下以ito玻璃為基體合成聚苯胺,并且對其進(jìn)行電化學(xué)性能表征和紫外吸收研究.循環(huán)伏安曲線結(jié)果表明 ph 值越小,即酸性越大,其氧化還原峰越多,且越明顯.說明苯胺的氧化還原反應(yīng)和溶液的 ph 值有關(guān),酸度越大,聚苯胺越容易發(fā)生氧化還原反應(yīng),反之則越難發(fā)生氧化還原反應(yīng),這可能與聚苯胺的導(dǎo)電性機(jī)理有關(guān).紫外吸收曲線在 450 nm 和 800 nm 處出現(xiàn)吸收

13、峰,原因是聚苯胺中苯環(huán)結(jié)構(gòu)中-*躍遷和極子帶 -* 躍遷.4 實(shí)驗(yàn)部分 苯胺,硫酸水溶液的配置 分別取0.02mol的苯胺和0.2mol的硫酸于200ml蒸餾水中；電極的預(yù)處理 以ito玻璃為研究電極,將ito玻璃蒸餾水洗滌,分別在乙醇,二次水中超聲清洗；電解槽的裝配 將上述所配溶液置于電解槽,以處理過的ito玻璃為研究電極,飽和甘汞電極為參比電極,pt電極為輔助電極組成三電極體系；用循環(huán)伏安法掃描確定聚苯胺制備的起始電位掃描范圍為-0.11.5伏,掃描速度為1050mv/s；聚苯胺膜的制備 聚苯胺膜的制備在電化學(xué)工作站上完成.選用恒電位法制備聚苯胺膜.聚合電位為-0.41.2伏,聚合時間為4

14、00秒.觀察聚合電位對產(chǎn)品的影響；聚苯胺膜的伏安特性將所制備的聚苯胺膜置于0.2mol/l的硫酸溶液中,做出它的循環(huán)伏安曲線.掃描范圍為-0.41.5v,掃描速度為10-50mv/s.比較峰值電流的大小,分析聚苯胺膜在氧化還原條件下的穩(wěn)定性；聚苯胺光吸收將電極上的聚苯胺溶解,用hitachi uv-2450型紫外-可見分光光度計(jì)測量它的吸收曲線圖；不同ph值條件下的循環(huán)伏安曲線配制不同ph值標(biāo)準(zhǔn)溶液3份（0.5,0.05,0.005mol/l的硫酸溶液）,ph=4的緩沖溶液,以飽和甘汞電極為參比電極,測定聚苯胺膜電極在各種溶液中的cv曲線,觀察溶液ph對它的伏安特性的影響.掃描范圍為-0.41

15、.5伏,掃描速度為50mv/s.觀察不同介質(zhì)中聚苯胺氧化還原峰的峰位的變化,并分析原因,畫出ph與峰位的關(guān)系圖.references1 baude, p. f.; ender, d. a.; haase, m. a.; kelley, t. w.; muyres, d. v.; theiss, s. d. appl. phys. lett. 2013, 82, 39642 klauk, h.; halik, m.; zschieschang, u.; schmid, g.; radlik, w.; weber, w. j. appl. phys. 2014, 92, 5259.3 bheemireddy, s. r.; ubaldo, p. c.; rose, p. w.; finke, a. d.; zhuang, j.; wang, l.; plunkett, k. n. angew. chem. int. ed. 2015, 54, 15762.4 kelley, t. w.; muyres, d. v.; baude, p. f.; smith