聚苯胺导电聚合膜的制备及表征

1、 聚苯胺导电聚合膜的制备及表征徐景妍 李志明 王进 黄健涵(中南大学化学化工学院 湖南 长沙 410083)摘要 在室温条件下的酸性溶液中,以铜片为电极,采用液体的苯胺单体作为反应剂,通过扫描伏安法制备聚苯胺薄膜。利用循环伏安法(cyclic voltametry,C-V)对样品进行表征,同时考察合成条件对材料性能的影响。关键词 聚苯胺;循环伏安法;电导率;扫描速度 Prepartion and haracterization of Polyaniline Conducting Polymer Films Xu,Jingyan Li,Zhiming Wang,Jin Huang,Jianhan

2、(College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract At the room temperature and acid solution , the copper electrode，using liquidaniline monomer as a reaction agent, prepares Polyaniline Films by scanning voltammetric method. The cyclic voltammet

3、ry (cyclic voltametry, C-V) to characterize the samples,the effects of synthesis conditions on the propert-ies of materials.Keywords polyaniline; cyclic voltammetry; conductivity;scanning speed1 引言 20世纪70年代后期，由于聚乙炔的发现而产生了以共轭高分子为基础的导电高分子学科，并得到了迅猛的发展，而导电聚合物自20世纪80年代中期被Mac Diarmid等重新开发以来，以其原料易得、合成简单、较高

4、的导电率和潜在溶液和熔融加工性能，以及良好的环境稳定性的等优点，成为目前最受关注的三大导电高分子品种（聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯）之一。正是以上这些优点，使聚苯胺有广阔的应用前景。自1862年Letheby首次研究聚苯胺(polyaniline,Pani)以来1,2,导电聚苯胺具有良好的电磁屏蔽和微波吸收性能，如聚苯胺/聚氯乙烯导电共混材料的电磁屏蔽常数大于50dB。在二次电池(塑料电池)中使用聚苯胺具有良好的充放电效果，循环充电2000次，库伦效率仍接近100%。导电聚苯胺是一种良好的金属防腐蚀材料，同时还是较好的防污材料，可在舰船上广泛应用。另外，聚苯胺还有电致变色、电子发光等可被将来利用的性

5、能。聚苯胺的合成方法很多，如化学氧化聚合物、电化学聚合法、现场聚合法、缩合聚合法等，其合成反应主要受反应介质酸的种类、浓度，氧化剂的种类及浓度，单体浓度和反应温度、反应时间等因素的影响3，其中化学氧化聚合法较为简单，易于大批量生产，因而吸引了许多注意力。本实验用电化学聚合法合成聚苯胺，并且对其电化学和光学性能进行表征。聚苯胺的形成是通过阳极偶合机理完成的。聚苯胺链的形成是活性链端（-NH2）反复进行上述反应，不断增长的结果。由于在酸性条件下，聚苯胺链具有导电性质，保证了电子能通过聚苯胺链传导至阳极，是增长继续。只有当头头偶合反应发生，形成偶氮结构，才使得聚合停止。PAN有4种不同的存在形式，它

6、们分别具有不同的颜色。苯胺能经电化学聚合形成绿色的叫作翡翠绿的PAN导电形式。当膜形成后，PAN的4种形式都能得到，并可以非常快地进行可逆的电化学相互转化。完全还原形式的五色盐可在低于-0.2V时得到，翡翠绿在0.30.4V时得到，翡翠基蓝在0.7V时得到，而紫色的完全氧化形式在0.8V时得到。因此，可通过改变外加电压实现翡翠绿和翡翠基蓝之间的转化，也可以通过改变pH值来实现。区分不同光学性质是由苯环和喹二亚胺单元的比例决定的，它能通过还原或质子化程度来控制。2.实验部分2.1实验试剂与仪器仪器：电化学工作站，玻碳电极，导电玻璃，饱和甘汞电极，铂电极试剂：苯胺、浓硫酸2.2实验方法2.2.1苯

7、胺、硫酸水溶液的配置 取一200ml烧杯，往其中加入约179ml蒸馏水；再分别取0.2mol（10.4ml）的苯胺和10.6ml浓硫酸加入其中，配置苯胺的酸性水溶液。加入苯胺和浓硫酸后，有部分白色固体产生，但在玻璃棒搅拌下逐渐溶解，最后溶液呈淡棕色液体。2.2.2电解槽的装配 以饱和甘汞电极为参比电极，pt丝电极为辅助电极，导电玻璃（经过超声波清洗仪清洗过的玻璃片）为研究电极组成三电极体系。将各导线与各电极接好（绿色接工作电极，白色接参比电极，红色接辅助电极），插入装有已配置好的苯胺溶液的小烧杯中（注意溶液不能淹没导电夹，三个电极不能接触）。2.2.3恒电位仪和记录仪器的预调节 打开电化学工作

8、站电脑操作界面，选择循环伏安法，扫描范围调节在-0.11.5V，扫描速率调在50mV/s；点击开始键，并进行扫描，扫描完成后将数据及图像储存。2.2.4聚苯胺膜的制备 选择i-t法，设定点位0.80.9V，扫描400s，做出聚苯胺导电膜在不同浓硫酸介质中的循环伏安曲线图。3 实验结果与分析3.1聚苯胺在不同浓度硫酸下的循环伏安曲线图电流参考方向：阴极电流为正 静置电位(V) = -0.2 静置时间(S) = 3 起始电位(V) = -0.2 第1折返电位(V) = 1 第2折返电位(V) = -0.2扫描速率(V/S) = 0.05 扫描段数(N) = 2采样间隔(V) = 0.001 电流量

9、程(A) = 5.0E-03扫描时间(S) = 48.02 曲线样点数 = 2401 图1 聚苯胺在0.5mol硫酸溶液中循环伏安曲线图2 聚苯胺在0.05mol溶液中循环伏安曲线图4 聚苯胺在0.005mol/l硫酸溶液中循环伏安曲线 由不同浓度下的循环伏安特性曲线可以看出，每一次的循环伏安曲线都会有峰值，并且从理论上来说，一个还原峰就对应着一个氧化峰。并且其氧化还原的过程有电流的峰值，峰值的绝对值越大，表示电流越大，反应速率越大。通过四幅图还可以看出，PH的值越小，即酸性越大，其氧化还原峰越多，并且越明显；PH值越大，即碱性越大，其氧化还原峰越少，并且没有酸性条件下明显。这表明聚苯胺的氧化

10、还原反应和溶液的PH值（酸碱度）有关，酸度越大，聚苯胺就越容易发生氧化还原反应；碱度越大，聚苯胺就越难发生氧化还原反应。4小结本次试验的实验结果较好，实验中可能引起实验误差的原因有以下几点a.制得的聚苯胺薄膜由于均一性不好在反复循环伏安扫描中脱落，影响了导电玻璃的导电性，这一点使得后来测定的实验曲线其氧化峰很难观测，造成原因可能是导电玻璃表面不够光洁。b.实验所用的试剂发生氧化，在实际操作中我们发现，制备导电膜剩余的溶液在空气中放置一段时间后，颜色由淡黄绿色变为浅红色，应该是苯胺发生了氧化，而且在取苯胺时发现其已变为棕红色。c.电极由于长期放置，其电极活性部分被一些物质覆盖，影响了电极的灵敏度，尤其是甘汞电极中的饱和K