聚苯胺导电聚合膜及表征的制备.docx

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聚苯胺导电聚合膜及表征的制备

应用化学综合实验

聚苯胺导电聚合膜的制备及表征

学生姓名

李静莎

指导教师

曾冬铭

专业班级

应化1001

学生学号

1505100911

实验成员

陈阳辉刘文明周兆芳

聚苯胺导电聚合膜的制备及表征

一、实验目的

1、了解聚合物的合成方法、性能和主要反应；

2、通过电化学聚合实验，掌握电化学聚合的实验技术以及相应的电化学测试方法。

二、背景知识及实验原理

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MacDiarmid等重新开发以来，以其原料易得、合成简单、较高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。

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，具体过程可由下式表示：

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0.3～0.4V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。

表1四种不同形式的PAN

名称

结构

颜色

性质

无色翡翠盐

无色

完全还原；绝缘

翡翠绿

绿色

部分氧化；质子导体

翡翠基蓝

蓝色

部分氧化；绝缘

完全氧化聚苯胺

紫色

完全氧化；绝缘

三、仪器及试剂

仪器：

导电玻璃、饱和甘汞电极、铂电极；

试剂：

苯胺、不同PH值的标准溶液、浓硫酸。

四、实验步骤及现象

1、苯胺、硫酸水溶液的配置：

取一个200ml烧杯，往其中加入约179ml蒸馏水；再分别取0.2mol（1.86ml）的苯胺和10.6ml浓硫酸加入其中，配置苯胺的酸性水溶液。

现象：

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、电极的预处理

将导电玻璃电极分别在乙醇、二次水中超声清洗。

3、电解槽的装配：

以饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极，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）。

3、CHI660B仪器的预调节：

打开CHI660B的电脑操作界面，选择循环伏安法，扫描范围调节在-0.1～1.5V，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。

4、聚苯胺膜的制备：

选择恒电位电解I-t法，设定点位0.8～0.9V，扫描400s，做出聚苯胺导电膜在0.1mol的浓硫酸介质中的循环伏安曲线图。

6、PH值的测定：

制备浓度分别为0.5、0.05、0.005mol/L的硫酸溶液，及pH值不同的标准溶液三份（pH=4.0039.1826.864）；以饱和甘汞电极为参比电极，测定聚苯胺膜电极在各种不同pH溶液中的循环伏安曲线图，绘制pH-E响应曲线。

再测定浓度为0.5mol/L的硫酸溶液的电位值，从标准溶液的pH-E曲线中找出该溶液的pH值。

5、实验结果与处理

1、循环伏安法测定聚苯胺的变化范围

扫描条件：

初始电位-0.1V;最高电位+1.5V;扫描速率：

50mV/s;

扫描段数：

2；采样间隔：

0.001

图1聚苯胺的线性循环伏安

从图1中，我们可以看到，在电位0.6V处开始出现还原峰，在1.4V处出现氧化峰，即电化学窗口约为0.8V。

2、聚苯胺膜的制备

采用恒电位电解法制备聚苯胺膜，扫描条件为：

设定电位为0.8～0.9V，扫描400s。

实验现象：

电解过程中，聚苯胺膜的颜色先由深变浅，再由浅变深。

图2恒电位电解法制备聚苯胺膜

从图2中，可以看出，在0～200s范围内，电解电流急剧降低，之后电解电流基本上保持不变。

出现突变的原因可能是在电解刚开始时，由于传质迟缓导致电极表面和溶液本体中苯胺的浓度不等，即浓差极化。

3、不同溶液中PH值的测定

扫描条件：

扫描范围：

-0.4V～1.0V;扫描速率：

50mV/s;扫描段数：

2

图3聚苯胺在0.5mol\L硫酸溶液中循环伏安曲线

从图3中，可以看出聚苯胺在0.5mol\L硫酸溶液中有较多的氧化还原峰，聚苯胺膜电极在0.5mol\L硫酸溶液中的电位为0.35V。

图4聚苯胺在0.05mol\L硫酸溶液中循环伏安曲线

从图4中，可以看出聚苯胺在0.05mol\L硫酸溶液中存在氧化还原峰，聚苯胺膜电极在0.05mol\L硫酸溶液中的电位为0.18V.

图5聚苯胺在0.005mol\L硫酸溶液中循环伏安曲线

从图5中，可以看出聚苯胺在0.005mol\L硫酸溶液中存在氧化还原峰，但与图3和图4相比，峰不是很明显。

聚苯胺膜电极在0.005mol\L硫酸溶液中的电位为-0.3V.

图6聚苯胺在PH=4.003的标准溶液中循环伏安曲线

从图6中，可以看出聚苯胺在PH=4.003的标准溶液中存在清晰的氧化还原峰，聚苯胺膜电极在PH=4.003的标准溶液中的电位为0.6V.

从图3到图6，我们可以读出在各PH下各曲线的突变点的E值：

表1PH与E（v）值　

PH

4.003

0.5mol/L硫酸

0.05mol/L硫酸

0.005mol/L硫酸

E（V）

0.6

0.35

0.18

-0.3

根据表1，可以知道由于标准溶液的数据较少，不能绘制处工作曲线，但从不同浓度的硫酸溶液中聚苯胺膜电极的电极电位随PH值得增大而减小。

6、实验结果与讨论

通过本实验，我们可以学会了电化学工作站的基本操作，采用循环伏安法扫描苯胺的变化范围，采用恒电位电解法制备聚苯胺膜，聚苯胺膜电极电位随溶液PH值得增大而减小。

虽然本实验操作比较简单，时间也比较短，但所测聚苯胺膜在PH值不同的溶液中的循环伏安曲线并不理想，可能的原因是：

（1）所得聚苯胺膜制备不好。

（2）仪器灵敏度设置不够准确。

（3）导电玻璃在冲洗的时候过于用力，导致有少量镀膜被冲掉，破坏了镀膜均匀性。

（4）读出的聚苯胺膜在各PH下各曲线的突变点的E值有很大误差。

七、思考题

1.为什么导电玻璃要在聚合前认真仔细的处理？

答：

因为如果不把导电玻璃清洗干净，玻片上含有的杂质会影响聚苯胺膜的生成，影响循环伏安曲线的绘制，最终导致误差的产生。

2.什么是修饰电极？

答：

化学修饰电极是在电极表面进行分子设计，将具有优良化学性质的分子、离子、聚合物以化学薄膜的形式固定在电极表面，使电极具有某种特定的化学和电化学性质。

3.聚苯胺光学吸收的原理是什么？

答：

光能激发聚苯胺中的苯环和亚胺单元之间的转化，从而改变其光学性质。