聚苯胺的電化學合成及性能測試

侯超逸,段凌瑤,祝勇,崔乘幸,侯振雨

（河南科技學院,河南新鄉 453003）

聚苯胺的電化學合成及性能測試

侯超逸,段凌瑤,祝勇,崔乘幸,侯振雨

（河南科技學院,河南新鄉 453003）

在硫酸介質中以苯胺為單體,用恒電壓電化學方法合成了聚苯胺（PANI）,并對其進行了形貌、紅外光譜、紫外-可見光譜、電導率和氣敏性能的測定.結果表明：合成的樣品為一維納米線結構,表現出了聚苯胺的光譜特性,電導率為0.53 S/cm,對室內甲醛、苯、甲苯和氨氣等表現出了較好的氣敏性能,合成方法對電化學方法合成聚苯胺的工業化具有借鑒作用.

聚苯胺；電導率；電化學方法；氣敏材料

聚苯胺作為一種導電高分子材料,由于具有良好的導電性和化學穩定性、電化學可逆性、優良的電磁微波吸收性能和合成方法簡便等特性,成為現在研究進展最快的導電高分子材料之一[1-3].化學方法合成聚苯胺一般需要在低溫條件,且污染較大.電化學方法則可以在常溫合成聚苯胺,且電解液可以重復利用,產生的污染較少,因此,電化學方法合成聚苯胺的實用性研究具有一定的現實意義[4-6].本研究以不銹鋼板作為電極,采用恒電壓法合成聚苯胺,進一步研究聚苯胺的導電性和氣敏性能.

1 聚苯胺的合成

在電解池中加入0.5m ol/L的苯胺水溶液,用H2SO4調節為強酸性,調節電源電壓為1.2 V左右,將兩塊電極板接通電源,約5min后,于電極板上得到摻雜H2SO4的墨綠色聚苯胺.經過濾,洗滌,真空干燥箱內60℃烘干70 h即得聚苯胺樣品.

2 實驗結果與討論

2.1 聚苯胺的形貌特征

用電子掃描顯微鏡（SEM）對電化學法合成的聚苯胺進行形貌分析,結果見圖1.可以看出,合成的聚本胺為線狀結構.經電子掃描顯微鏡粗略測算,線狀聚苯胺直徑大約在70 nm左右,說明電化學方法合成的聚苯胺為納米線結構.

圖1 聚苯胺的SEM圖

2.2 聚苯胺的紅外光譜分析

將KBr粉末和樣品按質量比100∶1的比例于瑪瑙乳缽中碾磨均勻,在壓片機上以10Mpa壓力加壓5min制成半透明的薄片,再用傅立葉變換紅外光譜儀對合成的聚苯胺樣品進行紅外光譜（FTIR）分析,結果見圖2.圖中結果表明,醌式結構N=Q=N（Q為醌環）的吸收振動和苯式結構N-B-N（B為苯環）的特征吸收振動分別在1 566.1 cm-1處和1 485.1 cm-1處得到了體現；與苯相連的仲胺的C-N鍵的伸縮振動峰則在1 301.9 cm-1處得到了體現,說明合成的聚苯胺分子中含有苯環和醌式結構.

圖2 硫酸摻雜聚苯胺的紅外光譜

2.3 聚苯胺的紫外光譜分析

由文獻[7]可知,本征態聚苯胺的苯環上π→π*電子躍遷吸收峰在325 nm處,代表醌式結構的n→π*電子躍遷吸收峰在620 nm處.本研究以1-甲基-2-吡咯烷酮為溶劑,對合成的聚苯胺進行紫外-可見光譜（UV-Vis）測定,結果見圖3.圖中結果表明,聚苯胺在335 nm和633 nm處有兩個明顯的吸收峰,與本征態聚苯胺的特征吸收峰存在一定的差異.這是由于在硫酸介質中合成的聚苯胺,大分子鏈上的H+與N原子結合形成的價電子分配到了大分子結構中形成了大的共軛體系,電子躍遷所需能量降低,導致吸收峰從原來的325nm紅移到335nm.同樣,代表醌式結構的吸收峰也由620nm紅移到了633nm[7].

圖3 聚苯胺溶于1-甲基-2-吡咯烷酮的吸收光譜

2.4 聚苯胺的電導率分析

測定電導率的方法是先稱取聚苯胺樣品0.25 g,用FW-4A型粉末壓片機在25Mpa下保持5min制備成聚苯胺壓片,再用SX 1934（SZ-82）數字式四探針測試儀測量其電阻率,經計算得聚本胺的電導率.

將合成的聚苯胺樣品自然晾干后于瑪瑙研缽中研細后過篩（200目）,分別用常壓干燥法和真空干燥法對聚苯胺樣品進行干燥,并按上述方法對其進行電導率的測定,結果見表1.可以看出,未經干燥的聚苯胺表現出了較高的電導率,說明水份對電導率的測定結果有較大影響.聚苯胺的含水量導致其電導率升高的原因可能是水分子為極性分子,與納米線之間存在較強的相互作用,增大了線與線之間的接觸界面,使聚苯胺線間載流子更容易從一個鏈轉移到另一個鏈,有效地降低了線間的接觸電阻,使電導率隨之升高.聚苯胺納米線間載流子轉移的增加將更有效的促使質子酸摻雜的醌環附近載流子的非局域化[8]；同時也可以看出,常壓干燥的聚苯胺電導率明顯小于真空干燥法,這可能是真空干燥法的溫度較低,聚苯胺納米線的團聚程度較小所致.

表1 不同干燥方法的聚苯胺電導率

2.5 聚苯胺的氣敏性能分析

聚苯胺是一種P型半導體材料,氣敏元件的靈敏度可按下式計算：

Rg、Ra分別為元件在待測氣體中和空氣中的電阻值.

將合成的聚苯胺樣品制備成旁熱式氣敏元件,老化10 d后,采用靜態配氣法,于WS-30A氣敏元件測試系統上完成氣敏元件的性能測試.在測試電壓為2.7 V的條件下,對同樣體積的甲苯、苯、甲醛、甲醇、乙醇和氨水進行測定,并計算出對各種氣體的靈敏度,結果見圖4.可以看出,聚苯胺對被測氣體均表現出了一定的響應,其中對NH3的靈敏度最高,說明聚苯胺氣敏材料可用于監測室內裝修揮發性氣體的傳感器研制.

圖4 氣敏元件在不同氣體中的靈敏度測試

3 結論

通過以上分析,可得出以下結論：

（1）在硫酸介質中,以苯胺為單體,采用恒電壓電化學方法可以合成納米線結構的聚苯胺,為電化學方法合成聚苯胺的工業化提供了參考.

（2）聚苯胺的電導率與聚苯胺的干燥方法和聚苯胺的含水量有關.采用真空干燥法得到的聚苯胺其電導率大于常溫烘干方法,但真空干燥法費時較長；聚苯胺的水份越高,樣品的電導率越大.

（3）合成的聚苯胺對苯、甲苯、甲醛和氨氣等室內污染氣體表現出了較好的氣敏性能,有可能在室內污染氣體的檢測方面得到實際應用.

[1]賈慶明,陜紹云,王亞明,等.聚苯胺在催化領域中的應用研究進展[J].高分子材料科學與工程,2010,26（9）：159-162.

[2]程忠玲.一維聚苯胺納米材料的制備方法研究進展[J].高分子通報,2010（6）：93-98.

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[4]茍宇,周祚萬,陳華.聚苯胺納米矩形管的制備與表征[J].材料導報,2010,24（3）：101-104.

[5]阮孟財,繆文泉,童曉敏,等.電化學方法制備聚苯胺膜及其表征[J].上海大學學報：自然科學版,2010,16（5）：531-535.

[6]溫靖邦.電化學方法制備納米纖維聚苯胺[D].長沙：湖南大學,2005.

[7]張清華,王獻紅,景遐斌.聚苯胺的合成及其光譜特性[J].化學世界,2001（5）：242-244.

[8]周昀,龍云澤,陳兆甲,等.水和乙醇對納米管結構聚苯胺電阻率的影響[J].物理學報,2005,54（1）：228-231.

Electrochem ical synthesis and performance study of polyaniline

Hou Chaoyi,Duan Lingyao,Zhu Yong,CuiChengxing,Hou Zhenyu
（Henan InstituteofScienceand Technology,Xinxiang453003,China）

Polyaniline was synthesized using aniline asmonomer in sulphuric acid with the way of constant voltage electrochemical method.The morphology,IR,UV-Vis absorption Spectroscopy,electroconductibility and the gassensitive of the product were also studied.The results showed that the product belongs to a structure of onedimensional nanometer.The spectroscopy results showed that the product was polyaniline.The electroconductibility is 0.53S/cm.The product,which has good gas-sensitivity to formaldehyde,benzene,methylbenzene and ammonia,was identified to be polyaniline by the spectroscopy result,so we think a practical synthesis way was introduced in this research.

polyaniline,conductivity,electrochemistrymethod,gas-sensingmaterial

TQ317

A

1008-7516（2011）05-0092-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2011.05.022

2011-07-09

河南省教育廳自然科學研究資助計劃項目（2009A150009）

侯超逸（1989-）,男,河南衛輝人.主要從事氣敏傳感器研究.

侯振雨（1965-）,男,河南衛輝人,教授.主要從事氣敏材料和化學計量學方法研究.

盧奇）