水性導(dǎo)電功能材料-科學(xué)項(xiàng)目研究計(jì)劃書(shū)

1、科學(xué)（項(xiàng)目）研究計(jì)劃書(shū) 完 成 人： 班 級(jí)： 材料1102 研 究 方 向 ： 水性導(dǎo)電功能材料 項(xiàng) 目 名 稱(chēng)：咪唑鹽離子液體作為連接制備核 殼混合的碳納米管導(dǎo)電聚合物 完 成 日 期 ： 2014年6月21日 項(xiàng)目概況項(xiàng)目名稱(chēng) 咪唑鹽離子液體作為連接制備核殼混合的碳納米管導(dǎo)電聚合物項(xiàng)目類(lèi)別A.人文社科項(xiàng)目B.自然科學(xué)項(xiàng)目起止年限 2014年7 月 至 2015年7 月 二級(jí)學(xué)科代 碼 二級(jí)學(xué)科名 稱(chēng) 重點(diǎn)學(xué)科國(guó)家級(jí) 省 級(jí) 申請(qǐng)人一姓 名性 別男 出生年月1993.7 入學(xué)年月2011.9 所 在院 系化學(xué)與材料工程學(xué)院聯(lián)系電話電子信箱 申請(qǐng)人二姓 名性 別男 出生年月1992.11入學(xué)

2、年月2011.9所 在院 系化學(xué)與材料工程學(xué)院聯(lián)系電話1電子信箱2m 1、 立項(xiàng)依據(jù)項(xiàng)目源自，親水性的導(dǎo)電材料PEDOT:PSS在離子液體作為連接材料的情況下引入了碳納米管上，并與之形成穩(wěn)定的相互作用，最終在水中形成了分散性很好是核-殼結(jié)構(gòu)，是制取碳納米管/聚合物導(dǎo)電功能材料的創(chuàng)新性探索。聚合物一直被認(rèn)為是絕緣體，但是在20世紀(jì)70年代，日本的白川英樹(shù)等在高濃度催化劑條件下，合成了具有金屬光澤的高順式聚乙炔薄膜，賓夕法尼亞大學(xué)的MacDiarmid發(fā)現(xiàn)摻雜后的聚乙炔有類(lèi)似于金屬的導(dǎo)電性，其室溫電導(dǎo)率高達(dá)103S·cm-1，此后又有Su.W.P和Schrieffer.J.R等詳盡研究了

3、聚乙炔獨(dú)特的光、電、磁及熱電動(dòng)勢(shì)等性能，由此科學(xué)研究者對(duì)導(dǎo)電功能材料展開(kāi)了深入的研究。同時(shí)，自從1991年由日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，該種納米材料因其所具有的特殊性能已經(jīng)引起了不同學(xué)科領(lǐng)域的廣泛關(guān)注1。早在1994年，Ajayan等將制備的環(huán)氧樹(shù)脂/CNTs復(fù)合材料切成50200nm的薄片，借用切片時(shí)的機(jī)械力將CNTs排列起來(lái)，首次得到了定向排列的CNTs復(fù)合材料2。與傳統(tǒng)的碳素系導(dǎo)電介質(zhì)相比，使用碳納米管等新興碳素材料作為導(dǎo)電介質(zhì)，在理論上可以在極少添加量下實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)電性能，并可使材料易于實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用目標(biāo)設(shè)計(jì)，

4、為其在填充型導(dǎo)電復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了非常廣闊的前景。從上個(gè)世紀(jì)60 年代開(kāi)始，國(guó)際上就開(kāi)始了對(duì)復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的研究，并在70 年代中期實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，發(fā)展速度異常迅猛。僅在美國(guó)，復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的需求量以每年20%30%的速度遞增，而從事此方面研究開(kāi)發(fā)的機(jī)構(gòu)就有200多家3。我國(guó)正處在全面快速發(fā)展的階段，材料工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)?！笆濉睍r(shí)期，是我國(guó)材料工業(yè)由大變強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期。加快培育和發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)，對(duì)于引領(lǐng)材料工業(yè)升級(jí)換代，支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保障國(guó)家重大工程建設(shè)，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，構(gòu)建國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)具有重

5、要的戰(zhàn)略意義。因此黨中央制定了新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，其中碳納米管和導(dǎo)電材料作為新材料成為發(fā)展重點(diǎn)。聚合物/CNTs導(dǎo)電復(fù)合材料一直被認(rèn)為是理想的導(dǎo)電材料，在鋰電池、超級(jí)電容器、生物傳感器、電磁屏蔽、透明電極等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。目前制備碳納米管/高分子復(fù)合材料主要有三種方法：溶液混合、熔融混合，原位合成4。雖然這些方法已經(jīng)被廣泛研究，但它們面臨一個(gè)共同而關(guān)鍵的挑戰(zhàn)：碳納米管在高分子中無(wú)規(guī)聚集，復(fù)合材料無(wú)法充分利用碳納米管優(yōu)異的性能，如拉伸強(qiáng)度和電導(dǎo)率分別低于0.12GPa和10-6S/cm，嚴(yán)重限制碳納米管/高分子復(fù)合材料在很多領(lǐng)域的應(yīng)用5。為了提高碳納米管在高分子基材中的分散均勻程度，

6、超聲波分散、機(jī)械攪拌、加入表面活性劑、對(duì)碳納米管表面進(jìn)行化學(xué)修飾等手段都曾被用于碳納米管的分散6。Sophie Barrau等在SWNTs/EP中添加表面活性劑棕櫚酸，測(cè)得的滲濾閾值的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與加入前相比，從0.18%降至0.08%，這歸因于棕櫚酸改善了SWNTs在EP中的分散性7。Shang等分別用微型乳液聚合法和溶液混合法制備了PMMA/MWCNTs復(fù)合材料。MWCNTs經(jīng)過(guò)純化處理，采用微型乳液聚合法制備的PMMA/MWCNTs復(fù)合材料的滲流閾值體積分?jǐn)?shù)為1%，而采用溶液混合法制備的PMMA/MWCNTs復(fù)合材料的滲流閾值為體積分?jǐn)?shù)4.5%。在體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，這兩種材料的電導(dǎo)率分別為

7、5 S/m和0.7 S/m。這說(shuō)明對(duì)于PMMA/MWCNTs體系，微型乳液聚合法顯現(xiàn)出了比溶液混合法更好的制備效果，這是由于前者可以使MWCNTs獲得更加均勻的分散狀態(tài)8。Li等采用原位聚合法制備了PU/MWCNTs泡沫材料，用乙醇作為稀釋劑降低多羥基聚醚的黏度來(lái)讓MWCNTs獲得更好的分散。通過(guò)對(duì)不同密度泡沫材料分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泡沫材料密度為0.2g/cm-3時(shí)，泡孔體積的大小有助于MWCNTs均勻分散，形成更好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)MWCNTs添加量從1.0%升高到1.2%時(shí)，泡沫材料的電導(dǎo)率從1.72×10-12S/m提高到2.0×10-6S/m9。Shim等人通過(guò)組裝聚乙烯醇(

8、PVA)和不同pH下的PSS包覆SWNTs得到PVA/SWNTs層層自組裝膜，并且在此基礎(chǔ)上通過(guò)加熱或者戊二醛處理的方式進(jìn)行交聯(lián)，通過(guò)層層自組裝，膜的厚度以及其內(nèi)部CNTs含量可以控制并且CNTs在基體中具有良好的分散性，得到拉伸強(qiáng)度、剛度、韌性等都極好的復(fù)合材料10。前人使用PEDOT:PSS直接改性MWNT制備復(fù)合材料，本項(xiàng)目試圖在離子液體作為連接材料的情況下使用PEDOT:PSS改性SWNT制備復(fù)合材料。碳納米管在咪唑類(lèi)離子液體的非共價(jià)功能化作用下不僅提高了碳納米管的性能和分散性11, 12，而且還保護(hù)了碳納米管完整的結(jié)構(gòu)。離子液體中多極性的羥基基團(tuán)與PEDOT的相互作用，改變了PEDO

9、T:PSS的構(gòu)型和電子移動(dòng)速率。CNTs均勻的分散在材料之中，并展現(xiàn)出色的電荷交換電流性能，并且CNTs復(fù)合物中的PEDOT:PSS殼可以充分利用其多功能性與易于分散的性能，使其具有廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1.喻研, 碳納米管/聚合物復(fù)合導(dǎo)電膜的研究, 2009, 華中科技大學(xué). 第 74頁(yè).2.張誠(chéng), 祝軍與馬淳安, 聚合物/碳納米管導(dǎo)電復(fù)合材料研究進(jìn)展. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010(01): 第1-6頁(yè).3.王安之與呂滿庚, 碳納米管/高分子復(fù)合導(dǎo)電材料的研究進(jìn)展. 高分子通報(bào), 2006(05): 第65-70頁(yè).4.高穎與潘莉, 碳納米管/聚合物基復(fù)合材料研究進(jìn)展. 材料導(dǎo)報(bào), 2014

10、(01): 第59-63+78頁(yè).5.Qiu, L., et al., Preparation and Application of Aligned Carbon Nanotube/Polymer Composite Material. Acta Chimica Sinica, 2012. 70(14): p. 1523.6.王健, 碳納米管表面修飾及分散性能的研究, 2012, 南昌大學(xué). 第 72頁(yè).7.Barrau, S., et al., Effect of Palmitic Acid on the Electrical Conductivity of Carbon Nanotubes

11、Epoxy Resin Composites. Macromolecules, 2003. 36(26): p. 9678-9680.8.Shang, S., et al., Polymethylmethacrylate-carbon nanotubes composites prepared by microemulsion polymerization for gas sensor. Composites Science and Technology, 2009. 69(7-8): p. 1156-1159.9.Yan, D., et al., Electrical conductivit

12、y and major mechanical and thermal properties of carbon nanotube-filled polyurethane foams. Journal of Applied Polymer Science, 2011. 120(5): p. 3014-3019.10.Shim, B.S., et al., Multiparameter Structural Optimization of Single-Walled Carbon Nanotube Composites: Toward Record Strength, Stiffness, and

13、 Toughness. ACS Nano, 2009. 3(7): p. 1711-1722.11.Fukushima, T., Molecular Ordering of Organic Molten Salts Triggered by Single-Walled Carbon Nanotubes. Science, 2003. 300(5628): p. 2072-2074.12.Fukushima, T. and T. Aida, Ionic Liquids for Soft Functional Materials with Carbon Nanotubes. Chemistry -

14、 A European Journal, 2007. 13(18): p. 5048-5058.二、研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的主要問(wèn)題研究目標(biāo)：1、 提高CNTs在水溶液中或者水/有機(jī)混合溶液中分散穩(wěn)定性。2、 探討咪唑類(lèi)離子液體對(duì)碳納米管分散性的影響。3、 引入PEDOT:PSS，探索碳納米管與PEDOT:PSS復(fù)合材料的制備機(jī)理及其性能。4、 IL-SWNT/PEDOT:PSS復(fù)合材料應(yīng)用于電化學(xué)裝置。研究?jī)?nèi)容：本項(xiàng)目擬通過(guò)使用咪唑類(lèi)離子液體，使咪唑離子與碳納米管表面的電子作用得到IL-SWNT,獲得穩(wěn)定的碳納米管分散體。碳納米管在咪唑類(lèi)粒子液體的非共價(jià)功能化作用下不僅提高了碳納米管的性

15、能，而且還保護(hù)了碳納米管完整的結(jié)構(gòu)。用透射電子顯微鏡(TEM)、熱重分析儀(TGA)、拉曼光譜等手段表征IL-SWNT的結(jié)構(gòu)參數(shù)。其次，引入親水性的PEDOT：PSS與咪唑類(lèi)離子液體相互作用，在碳納米管表面形成涂層。最終在水中形成了分散性很好的核-殼結(jié)構(gòu)。用透射電子顯微鏡(TEM)、熱重分析儀(TGA)、拉曼光譜等手段表征碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后，使用核-殼結(jié)結(jié)構(gòu)的IL-SWNT/PEDOT:PSS復(fù)合材料作為太陽(yáng)電池的輔助電極進(jìn)行試驗(yàn)。擬解決的主要問(wèn)題：1、 碳納米管用咪唑類(lèi)離子液體進(jìn)行非共價(jià)改性的基本理論論證。2、 通過(guò)離子液體引入PEDOT:PSS改性碳納米管，探討其制備機(jī)理和材

16、料性能。3、 探討碳納米管復(fù)合材料應(yīng)用于電化學(xué)裝置的效果。3、 課題的研究思路與方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案（含創(chuàng)新性）及其可行性分析研究思路與方法、技術(shù)路線：(1)IL-SWNT/PEDOT:PSS的制備室溫下，將總質(zhì)量為10mg的SWNTs和dhmimTf2N按質(zhì)量比1:1混合，在研缽中研磨30min。用乙醇洗滌混合物，除去未吸收的離子液體。離心，將沉淀(IL-SWNT)添加到20mL的PEDOT:PSS的水溶液中，稀釋到0.05%。然后將混合物在較低的超聲波下處理10min。使其穩(wěn)定分散，并且用離心機(jī)分離除去未粘附的聚合物，得到最終的產(chǎn)物IL-SWNT/PEDOT:PSS。將SWNTs與PE

17、DOT:PSS溶液(0.05%)直接混合，超聲處理15min。用透射電子顯微鏡(TEM)、熱重分析儀(TGA)、拉曼光譜等手段表征碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)。IL-SWNT/PEDOT:PSS 的合成路線(2)制備I-SWNT/PEDOT:PSS進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)用水徹底的洗滌分散的固體以除去未粘合的聚合物，最終得到I-SWNT/PEDOT:PSS，將其作為參照物。將IL-SWNT/PEDOT:PSS與I-SWNT/PEDOT:PSS超聲處理，進(jìn)行性能測(cè)試。(3) 導(dǎo)電性能測(cè)試本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處：1、 所查閱英文文獻(xiàn)是使用多壁碳納米管(MWNT)與PEDOT:PSS制備復(fù)合材料，本項(xiàng)目將創(chuàng)新性的使用單

18、壁碳納米管(SWNT)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。2、 咪唑類(lèi)離子液體對(duì)碳納米管進(jìn)行非共價(jià)改性，保證碳納米管完整的導(dǎo)電特性，且增加碳納米管的分散性。3、 一種親水性導(dǎo)電材料PEDOT:PSS在離子液體作為連接材料的情況下引入碳納米管上，并與之形成穩(wěn)定的相互作用，最終在水中形成了分散性很好的核-殼結(jié)構(gòu)。比起使用PEDOT:PSS直接改性SWNT表現(xiàn)出更好的性能。4、 離子液體是導(dǎo)電的，復(fù)合材料復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，有望應(yīng)用于電化學(xué)裝置，比如太陽(yáng)能電池?？尚行苑治觯荷暾?qǐng)人的指導(dǎo)老師在基于碳納米管的導(dǎo)電功能材料研究方面已有較好的工作基礎(chǔ)，得到了一些較好的結(jié)果?？茖W(xué)家們?cè)陉P(guān)于碳納米管改性以及碳納米管復(fù)合導(dǎo)

19、電材料的研究已有許多報(bào)道，方法切實(shí)可行可以參考。此外，指導(dǎo)老師一直從事導(dǎo)電功能材料領(lǐng)域的研究工作，并取得較好的研究成果，具有一定的研究基礎(chǔ)。校圖書(shū)館提供豐富的資料和文獻(xiàn)。學(xué)校相關(guān)表征儀器配置較為完善，滿足實(shí)驗(yàn)的需求。對(duì)于碳納米管在咪唑類(lèi)離子液體中的分散，根據(jù)申請(qǐng)人初步研究結(jié)果：碳納米管在咪唑類(lèi)粒子液體的非共價(jià)功能化作用下不僅提高了碳納米管的性能，而且還保護(hù)了碳納米管完整的結(jié)構(gòu)。對(duì)于引入PEDOT:PSS與咪唑類(lèi)離子相互作用，在碳納米管表面形成涂層，申請(qǐng)人在研究中得出：具有二羥基的離子液體1,3-二羥基-2-甲基咪唑雙三氟甲基磺?；鶃啺符}可以滿足實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。多極性的羥基基團(tuán)與PEDOT的相互作用，改變了PEDOT：PSS的構(gòu)型和電子移動(dòng)速率。在水溶液環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不破壞共軛的納米管結(jié)構(gòu)而保持其