Download miễn phí Luận văn Nghiên cứu hình thái cấu trúc và đặc tính điện hóa của polyaniline tổng hợp bằng con đường điện hóa
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC 3
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU 6
LỜI MỞ ĐẦU 9
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN 10
1.1. Lịch sử phát triển 10
1.2. Phân loại một số polyme dẫn điện 12
1.2.1. Polyme oxy hoá khử (Redox polyme) 12
1.2.2. Polyme dẫn điện tử (electronically conducting polymers) 13
1.2.3. Polyme trao đổi ion (ion - exchange polymers) 13
1.3. Cơ chế dẫn điện của polyme dẫn 14
1.3.1. Cơ chế của Roth 14
1.3.2. Cơ chế lan truyền pha của K.Aoki 15
1.4. Quá trình doping 16
1.4.1. Khái niệm về quá trình doping 16
1.4.2. Sự thay đổi cấu trúc 17
1.5. Tổng hợp polyaniline 18
1.5.1. Giới thiệu chung 18
1.5.2. Điều chế polyaniline 18
1.5.3. Cấu trúc của polyaniline 19
1.5.4. Tính chất của polyaniline 21
1.5.4.1. Tính chất hóa học 21
1.5.4.2. Tính chất quang học 21
1.5.4.3. Tính chất cơ học 22
1.5.4.4. Tính dẫn điện 22
1.5.4.5. Tính chất điện hóa và cơ chế dẫn điện 24
1.6. Ứng dụng của polyme dẫn điện 26
1.6.1. Giới thiệu chung về các ứng dụng của polyme dẫn 26
1.6.2. Ứng dụng của polyme dẫn trong dự trữ năng lượng 27
1.6.3. Làm điốt 27
1.6.4. Thiết bị điều khiển logic 28
1.6.5. Transitor hiệu ứng trường 28
1.6.6. Điốt phát quang 29
1.6.7. Sensor 30
1.6.8. Thiết bị đổi màu điện tử 30
CHƯƠNG II - THỰC NGHIỆM 31
2.1. Hóa chất dùng cho nghiên cứu 31
2.1.1. Pha chế dung dịch 31
2.1.2. Chuẩn bị điện cực 31
2.2. Tổng hợp vật liệu 33
CHƯƠNG III - CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35
3.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) 35
3.2. Phương pháp đo tổng trở (EIS) 37
3.2.1. Nguyên lý của phổ tổng trở điện hóa 37
3.2.2. Mạch tương đương trong phổ tổng trở 38
3.2.3. Tổng trở khuếch tán Warburg 39
3.2.4. Tổng trở Randles 39
3.2.5. Biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức 40
3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 42
CHƯƠNG IV - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44
4.1. Sự hình thành và phát triển của màng PANi 44
4.1.1. Sự hình thành và phát triển màng PANi trên điện cực GC 44
4.1.1.1 Trong dung dịch H2SO4 44
4.1.1.2. Trong dung dịch H2SO4 + HClO4 45
4.1.1.3. Trong dung dịch Na2SO4 46
4.1.1.4. Trong dung dịch Na2SO4+ HClO4 . 47
4.1.2. Sự hình thành và phát triển của PANi trên điện cực ITO 48
4.1.2.1. Trong dung dịch H2SO4 48
4.1.2.2. Trong dung dịch H2SO4 + HClO4 49
4.1.2.3. Trong dung dịch Na2SO4 50
4.1.2.4. Trong dung dịch Na2SO41M + HClO4 51
4.1.3. Sự hình thành và phát triển của PANi trên điện cực Platin 52
4.1.3.1. Trong dung dịch H2SO4 52
4.1.3.2. Trong dung dịch H2SO4 1M+HClO4 53
4.1.3.3. Trong dung dịch Na2SO4 54
4.1.3.4. Trong dung dịch Na2SO4 1M+HClO4 55
4.1.4. Sự hình thành và phát triển của PANi trên điện cực thép không gỉ 56
4.1.4.1. Trong dung dịch H2SO4 56
4.1.4.2. Trong dung dịch H2SO4 1M+HClO4 57
4.1.4.3. Trong dung dịch Na2SO4 1M 58
4.1.4.4. Trong dung dịch Na2SO4 1M +HClO4 59
4.1.5. Ảnh hưởng của nền điện cực tới sự phát triển của màng PANi 62
4.1.5.1. Trong dung dịch H2SO4 62
4.1.5.2. Trong dung dịch H2SO4+HClO4 64
4.1.5.3. Trong dung dịch Na2SO4 65
4.1.5.4. Trong dung dịch Na2SO4+HClO4 66
4.2. Nghiên cứu đặc tính điện hóa của màng PANi 69
4.2.1. Đặc tính CV 69
4.2.1.1. Đặc tính CV của polyaniline trên điện cực GC 69
4.2.1.2. Đặc tính CV của polyaniline tổng hợp trên điện cực ITO 71
4.2.1.3. Đặc tính CV của polyaniline trên điện cực Pt 72
4.2.1.4. Đặc tính CV của polyaniline trên điện cực SS304 73
4.2.2. Khảo sát phổ tổng trở (EIS) 75
4.2.2.1. Phổ tổng trở của polyaniline trên điện cực GC 75
4.2.2.2. Phổ tổng trở của polyaniline trên điện cực ITO 76
4.2.2.3. Phổ tổng trở của polyaniline trên điện cực Pt 77
4.2.2.4. Phổ tổng trở của polyaniline trên điện cực SS 79
4.3. Hình thái cấu trúc của polyaniline 81
4.3.1. Hình thái cấu trúc của polyaniline trên GC 81
4.3.2. Hình thái cấu trúc của polyaniline trên điện cực ITO 82
4.3.3. Hình thái cấu trúc của polyaniline trên điện cực Pt 83
4.3.4. Hình thái cấu trúc của polyaniline trên điện cực SS 84
KẾT LUẬN 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
yme có tính dẫn.Trong suốt hai mươi năm sau đó nhiều nỗ lực để tạo ra polyme dẫn với độ dẫn điện cao và kết quả của những nỗ lực đó đã đưa các nhà khoa học tới polyme dẫn điện đầu tiên trên thế giới là polyacetylen. Trước năm 1977 bằng các phương pháp khác nhau người ta chỉ tạo ra được loại vật liệu thô đen giống như carbon đen.
Tuy nhiên trong cùng thời gian đó một vài kỹ sư Nhật đã nhận thấy rằng màng polyacetylen có thể được tạo ra bởi quá trình polyme hoá của khí acetylen trên bề mặt của thùng phản ứng trong điều kiện có xúc tác của hợp chất cơ kim của thuỷ ngân.
Những màng này có độ dẫn điện khá lớn so với các polyme khác tuy nhiên nó vẫn chỉ là chất bán dẫn. Sau đó bằng sự cộng tác của các chuyên gia Nhật và các trường đại học Persylvania đã tạo ra những khuyết tật trong chuỗi polyme và sản phẩm polyme dẫn điện đầu tiên đã ra đời.
Người ta nhận thấy rằng việc xử lý màng acetylen trong chất cho mạnh (strong donor), hay chất nhận mạnh (strong aceptor) dẫn tới tạo thành chất bán dẫn hay vật liệu có tính chất của kim loại. Các polyme dẫn điện rất khác với các chất bán dẫn thông thường, đó là tính chất bất đẳng hướng cao và cấu trúc một chiều “cấu trúc chuỗi”. Polyacetylen là vật liệu điển hình và được nghiên cứu rộng rãi trong hệ polyme dẫn điện. Polyacetylen là polyme dẫn điện đầu tiên được tìm thấy nhưng khả năng dẫn điện hạn chế của nó nên không được áp dụng vào công nghệ. Vì vậy các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra nhiều loại polyme có khả năng dẫn điện khác như polyphenyline, polypyrrole, polyazuline, polyaniline hay các copolyme như copolyme chứa pyrrole, thiophene, poly 2-5 dithienyl pyride. Khả năng dẫn điện của các polyme và các copolyme có được là do trong chuỗi polyme có hệ liên kết p liên hợp nằm dọc theo toàn bộ chuỗi polyme do đó nó tạo ra đám mây điện tử p linh động nên điện tử có thể chuyển động từ đầu chuỗi đến cuối chuỗi polyme dễ dàng. Tuy nhiên, việc chuyển dịch điện tử từ chuỗi polyme này sang chuỗi khác gặp phải khó khăn. Các nguyên tử ở hai chuỗi phải xen phủ với nhau thì việc chuyển điện tử từ chuỗi này sang chuỗi khác mới có thể được thực hiện. Do vậy, các polyme đơn thuần hay các copolyme có độ dẫn điện không lớn và để tạo ra vật liệu có độ dẫn điện cao (hight- conductive polymer) từ các polyme người ta cài các tạp (dopant) vào màng để tạo ra vật liệu có độ dẫn điện cao hơn.
Các phụ gia pha tạp cũng rất đa dạng và phong phú đồng thời tuỳ từng trường hợp vào từng loại màng mà ta cần cho quá trình pha tạp.
Chẳng hạn với màng polyacetylen ta có thể dùng các muối halogen của kim loại chuyển tiếp. Ví dụ: TiCl4, ZnCl4, HgCl4, NbCl5, TaCl5, TaBr5, MoCl5, WCl3 và các muối Halogen của các kim loại không phải chuyển tiếp: TeCl4, TeCl5, TeI4, SnCl 4 làm các chất pha tạp. Còn với poly (p-phenylen) ta có thể dùng AuCl3-CuCl2 làm chất pha tạp.
Trong khi đó với polypyrole việc tổng hợp của polyrrole trong muối amoni của dạng R4NX trong đó R là alkyl, aryl, radical và X có thể là Cl-, Br-, I-, ClO-4, BF-4, PF -6 hay các muối của kim loại dạng MX trong đó M có thể là: Li, Na, As và X là BF -4,ClO-2, PF-6, CF3SO43-, AsF63-, CH3C6H4SO3- và màng polypyrrole thu được trong các muối trên sẽ cho độ dẫn điện lớn nhất do sự cộng kết của các anion của các muối này lên trên màng Polypyrrole.
Tuy nhiên, một phương pháp để làm tăng độ dẫn điện của các polyme dẫn điện mà hiện nay đang được nghiên cứu, ứng dụng và được xem xét kỹ trong nghiên cứu này đó là phương pháp cài các phân tử có kích thước nanomet của kim loại hay oxít của kim loại vào màng polyme dẫn để tạo ra vật liệu mới có độ dẫn điện vượt trội.
Các hạt nano được cài vào trong màng polyme thường là kim loại chuyển tiếp hay oxít của kim loại chuyển tiếp, khi đó nó có chức năng như những cầu nối để dẫn điện tử từ chuỗi polyme này sang chuỗi polyme khác. Trong thực tế người ta đã cài rất nhiều hạt nano vào màng polyme như nanocluster của Niken vào màng polyaniline, hay tạo ra vật liệu composite PAN/Au, composite PANI/Fe3O4, polypyrrole/ V2O5 composite…
1.2. Phân loại một số polyme dẫn điện [22]
1.2.1. Polyme oxy hoá khử (Redox polyme)
Polyme oxy hoá khử là loại polyme dẫn điện có chứa các nhóm có hoạt tính oxy hóa - khử liên kết với mạch polyme không hoạt động điện hoá.
Vinylferrocene
Hình 1.1: Vinylferrocene
Điện tử dịch chuyển từ tâm oxy hoá khử này sang tâm oxy hoá khử khác theo cơ chế electron hoping.
1.2.2. Polyme dẫn điện tử (electronically conducting polymers)
Polyme dẫn điện tử tồn tại mạch các bon có các nối đôi liên hợp nằm dọc theo chuỗi polyme và quá trình dẫn điện ở đây là điện tử có thể chuyển động dọc theo chuỗi polyme nhờ tính linh động của điện tử p, hay điện tử có thể chuyển từ chuỗi polyme này sang chuỗi polyme khác theo cơ chế electron hopping. Một số polyme loại này như [6]:
(- CH = CH - CH = CH -)n Polyacetylen
Hình 1.2: Polyme dẫn điện tử
1.2.3. Polyme trao đổi ion (ion - exchange polymers)
Polyme trao đổi ion là polyme chứa các cấu tử có hoạt tính oxy hoá khử liên kết với màng polyme dẫn ion, trong trường hợp này cấu tử có hoạt tính có điện tích trái dấu với màng PLM.
+
Hình 1.3: Polyme trao đổi ion (poly 4-Vilynpyridine với Fe(CN)63-)
Để tăng thêm chức năng của các polyme ta kết hợp các polyme với nhau để tạo polyme có hoạt tính cao hơn.
Trong polyme dẫn điện tử ta thường cài các tâm hoạt tính lên polyme dẫn điện và khi đặt các tâm hoạt tính với một nguyên tử trong chuỗi polyme và nó trở thành cầu nối của điện tử do sự xen phủ của các obital.
1.3. Cơ chế dẫn điện của polyme dẫn
Hiện nay có hai thuyết dẫn điện được nhiều người công nhận: cơ chế dẫn điện của Roth và cơ chế dẫn điện của K.ao.ki.
1.3.1. Cơ chế của Roth [23]
Roth và cộng sự cho rằng quá trình chuyển điện tích vĩ mô trong các mạng polyme dẫn là sự tập hợp các cơ chế vận chuyển cục bộ. Đó là sự vận chuyển các dạng mang điện trên các mạch sợi có liên kết liên hợp và từ sợi này sang sợi khác. Nếu coi polyme là tập hợp các bó sợi thì còn có sự vận chuyển các dạng mang điện tử từ bó sợi này sang bó sợi khác. Các quá trình vận chuyển này được minh họa ở hình 1.4.
Hình 1.4: Cơ chế dẫn điện Roth của polyme dẫn
[AB] dẫn trong một chuỗi [BC] dẫn giữa các chuỗi
[CD] dẫn giữa các sợi [AD] quá trình chuyển điện tích vĩ mô
Khi điện tử chuyển từ điểm A đến điểm B trên cùng một chuỗi polyme, người ta nói điện tử được dẫn trong một chuỗi. Trong trường hợp điện tử dịch chuyển từ điểm B sang điểm C trong đó B và C thuộc hai chuỗi polyme khác nhau ta nói điện tử di chuyển giữa các chuỗi.
Khi điện tử chuyển từ A, B ®D ta nói điện tử chuyển giữa các sợi. Rolh đã giải thích cơ chế dẫn điện như sau:
Điện tử chuyển động trong một chuỗi là do các liên kết p linh động chạy dọc theo chuỗi. Do đó điện tử có tính linh động và có thể di chuyển dọc theo chuỗi.
Điện tử chuyển động qua lại giữa các chuỗi là do các sợi polyme tạo thành do các chuỗi xoắn lại với nhau, khi đó nguyên tử ở 2 chuỗi rất gần nhau thì các obital của chúng có thể lai hoá với nhau và do đó điện tử có thể chuyể...