聚吡咯氧化鋅納米復(fù)合材料的制備及性能研究

聚吡咯氧化鋅納米復(fù)合材料的制備及性能研究

1ppy/zno納米復(fù)合材料的制備與性能發(fā)展隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)材料性能的要求越來(lái)越嚴(yán)格，材料的多樣性也越來(lái)越要求。單一的材料往往難以滿(mǎn)足要求,在這種需求下,復(fù)合材料受到人們的普遍重視,并成為新材料革命的一個(gè)重要發(fā)展方向?qū)щ娋圻量┎粌H具有較高的電導(dǎo)率,而且具有光導(dǎo)電性質(zhì)、非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)、發(fā)光和磁性能等,它的柔韌性好,生產(chǎn)成本低,能效高,易于合成,被認(rèn)為是最具有商業(yè)前景的導(dǎo)電高分子材料之一。聚吡咯的這些性能使其在電極、電池材料、生物醫(yī)學(xué)、傳感器、分子器件、電致變色顯示、防腐蝕材料等方面有著廣泛的應(yīng)用ZnO是一種重要的直接帶隙Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體,室溫下帶隙寬度為3.37eV,具有優(yōu)異的光電特性。納米ZnO是一種新型多功能無(wú)機(jī)材料,物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,氧化活性高且廉價(jià)易得,是目前很多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),納米ZnO具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等,在催化、光學(xué)、磁性和力學(xué)等方面展現(xiàn)出許多特異功能,在化工、電子、光學(xué)、生物等很多領(lǐng)域具有重要的作用,這些使其成為重要的研究對(duì)象并得到廣泛的應(yīng)用聚吡咯和ZnO的諸多優(yōu)異性能及其廣泛應(yīng)用,使PPy/ZnO納米復(fù)合材料在電子學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用。目前已有多個(gè)研究小組制備了PPy/ZnO納米復(fù)合材料,并研究在生物傳感器、太陽(yáng)能電池電極、抗腐蝕等方面的應(yīng)用在已發(fā)表的對(duì)PPy/ZnO納米復(fù)合材料研究中,研究者把重點(diǎn)放在了復(fù)合材料的制備與部分表征方面,包含表面形貌及結(jié)構(gòu),對(duì)該復(fù)合材料的性能尤其是電化學(xué)性能方面的研究還有待于進(jìn)一步探討。在電化學(xué)制備過(guò)程中,研究表明基底的材料、形狀、表面粗糙度以及比表面積的大小等對(duì)在其表面形成的聚合物及其復(fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌和性能均有很大的影響22.1ppy/zno復(fù)合材料的制備準(zhǔn)備電解液,配制100mL草酸溶液(0.1mol/L),分別加入1mL十二烷基苯磺酸和0.65g吡咯單體,攪拌1h,加入0.195gZnO,攪拌2h,電解液配制完成。實(shí)驗(yàn)采用CHI604D電化學(xué)工作站,利用電化學(xué)方法制備PPy/ZnO復(fù)合材料,采用三電極體系,工作電極分別為鎳片、不銹鋼網(wǎng)和碳布,輔助電極為不銹鋼網(wǎng),對(duì)電極為飽和甘汞電極。電聚合在室溫下進(jìn)行,采用計(jì)時(shí)電位法,電位為2V,聚合時(shí)間為600s,得到基于不同基底的復(fù)合材料。2.2復(fù)合材料電化學(xué)測(cè)試聚合完成后,采用電子掃描顯微鏡(SEM)分析復(fù)合材料的表面形貌,利用能量色散X射線(xiàn)光譜儀(EDX)分析復(fù)合材料的元素組成。PPy/ZnO復(fù)合材料的電化學(xué)測(cè)試在濃度為0.1mol/L的KCl溶液中進(jìn)行,采用三電極體系,以鍍有復(fù)合材料的鎳片、碳布與不銹鋼網(wǎng)為工作電極,不銹鋼網(wǎng)為對(duì)電極,飽和甘汞電極為參比電極。Tafel曲線(xiàn)測(cè)試電壓設(shè)置范圍為-1～1V。循環(huán)伏安測(cè)試電壓范圍設(shè)置為-1～1V,掃描速率為0.1V/s。電化學(xué)阻抗測(cè)試初始電位為0V,正弦波電位幅值為±0.1V,測(cè)試頻率為1～1033.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)基于鎳片(Ni)、碳布(以下用CC表示)、不銹鋼網(wǎng)(以下用SS表示)的PPy/ZnO納米復(fù)合材料的表面形貌如圖1所示。基于鎳片的PPy/ZnO復(fù)合材料呈無(wú)序的菜花狀結(jié)構(gòu),白色的ZnO顆粒夾雜在聚吡咯顆粒之間?；谔疾己筒讳P鋼網(wǎng)的PPy/ZnO復(fù)合材料表面均呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的薄片狀,納米ZnO摻雜在薄片之間。這些形狀的結(jié)構(gòu)具有很大的比表面積?；诓讳P鋼網(wǎng)和碳布的PPy/ZnO復(fù)合材料產(chǎn)生薄片結(jié)構(gòu)的原因主要有兩種,可能與基底的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān),也可能是聚合電壓(2V)以及十二烷基苯磺酸含量過(guò)高導(dǎo)致的,高電壓作用可能使聚吡咯迅速生長(zhǎng),但不能很好地附著在基底上,導(dǎo)致筒(管)狀結(jié)構(gòu)破裂變成薄片。3.2ppy/zno復(fù)合材料的edx分析基于不同襯底的PPy/ZnO納米復(fù)合材料的元素組成如圖2所示,均含有C(0.25keV)、O(0.53keV)、S(2.3keV)3種元素,說(shuō)明這些材料均成功地?fù)诫s了十二烷基苯磺酸根離子,這表明了十二烷基苯磺酸不僅是聚合反應(yīng)的支持電解質(zhì),也是摻雜劑。PPy/ZnO復(fù)合材料均測(cè)出Zn元素(1.1keV),說(shuō)明PPy/ZnO復(fù)合材料成功摻雜了納米ZnO。通過(guò)觀察復(fù)合材料的EDX譜發(fā)現(xiàn),只有基于不銹鋼網(wǎng)的復(fù)合材料測(cè)到N元素,可能是因?yàn)镹元素的含量比較低,沒(méi)有達(dá)到測(cè)試體系的測(cè)試要求。PPy/ZnO復(fù)合材料各組成元素摩爾分?jǐn)?shù)如表1所示。吡咯單體含有1個(gè)N原子,經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),基于不銹鋼網(wǎng)的PPy/ZnO納米復(fù)合材料中大約每7個(gè)吡咯單體摻雜1個(gè)ZnO分子。另外比較不同基底的復(fù)合材料的元素摩爾分?jǐn)?shù),可以發(fā)現(xiàn),基于不銹鋼網(wǎng)的復(fù)合材料中ZnO的摻雜量最高。3.3循環(huán)伏安曲線(xiàn)循環(huán)伏安測(cè)試在濃度為0.1mol/L的KCl溶液中進(jìn)行,電壓范圍設(shè)置為-1～1V。基于不同基底的電極材料的循環(huán)伏安曲線(xiàn)如圖3所示。PPy/ZnO復(fù)合材料中嵌入了大陰離子十二烷基苯磺酸根,十二烷基苯磺酸根體積較大,與聚吡咯之間有較強(qiáng)的作用,在聚吡咯中很難自由遷移,不容易發(fā)生嵌入與脫出,氧化還原反應(yīng)過(guò)程伴隨的是K3.4tafel極化曲線(xiàn)測(cè)試為了分析PPy/ZnO復(fù)合材料的防腐蝕性能,對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行Tafel曲線(xiàn)測(cè)試?；诓煌椎腜Py/ZnO復(fù)合材料修飾電極的Tafel曲線(xiàn)測(cè)試在濃度為0.1mol/L的KCl溶液中進(jìn)行,PPy/ZnO復(fù)合材料修飾電極的Tafel極化曲線(xiàn)如圖4所示。PPy/ZnO復(fù)合材料電極的極化參數(shù)值如表2所示。其中3.5復(fù)合材料電極的電化學(xué)性能電化學(xué)阻抗測(cè)試在濃度為0.1mol/L的KCl溶液中進(jìn)行,初始電位為0V,正弦波電位幅值為±0.1V,測(cè)試頻率為1～10利用Zview軟件對(duì)PPy/ZnO復(fù)合材料的電化學(xué)阻抗圖譜進(jìn)行擬合,得出的等效元件參數(shù)值如表3所示?；诓煌椎腜Py/ZnO復(fù)合材料電極體系的溶液電阻基本差異不大,電化學(xué)阻抗測(cè)試在濃度為0.1mol/L的KCl溶液中進(jìn)行,這說(shuō)明基底的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)的溶液電阻產(chǎn)生影響?；阪嚻腜Py/ZnO復(fù)合材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻最大,這是因?yàn)榛阪嚻膹?fù)合材料很難發(fā)生離子的交換,這與它的表面結(jié)構(gòu)也有關(guān)系,微小的顆?？p隙阻撓了離子的嵌入與脫出。相反,基于碳布的復(fù)合材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻最小,因?yàn)榛谔疾嫉膹?fù)合材料容易發(fā)生離子的交換,其表面結(jié)構(gòu)為片狀結(jié)構(gòu),較大的縫隙容易發(fā)生載流子的遷移?；阪嚻膹?fù)合材料的膜電容最小,基于碳布的復(fù)合材料的膜電容最大,這說(shuō)明基于碳布的復(fù)合材料容納電荷的能力最強(qiáng),這與它具有很大的比表面積結(jié)構(gòu)是有關(guān)系的。這與基于不同基底的復(fù)合材料的循環(huán)伏安曲線(xiàn)有相同的結(jié)論。4摻雜十二烷基苯磺酸根離子基于碳布和不銹鋼網(wǎng)的PPy/ZnO復(fù)合材料表面均呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的薄片狀,納米ZnO摻雜在薄片之間。這些形狀的結(jié)構(gòu)具有很大的比表面積。對(duì)基于不同基底的PPy/ZnO復(fù)合材料進(jìn)行EDX元素分析發(fā)現(xiàn)所有聚合材料均成功地?fù)诫s了十二烷基苯磺酸根離子,十二烷基苯磺酸不僅是聚合反應(yīng)的支持電解質(zhì),也是摻雜劑。通過(guò)循環(huán)伏安曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn),基于3種不同的PPy/ZnO復(fù)合材料中,基于碳布