聚苯胺导电聚合膜及表征的制备

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1、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Mac Diarmid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，

2、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

3、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0.30.4V时得到，翡

4、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

5、（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，

6、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。4、聚苯胺膜的制备： 选择恒电位电解I-t法，设定点位0.80.9V，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= 4.003 9.182 6.864）；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

7、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：50 mV/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0.80.9V，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0200s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

8、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：-0.4V1.0V;扫描速率：50mV/s;扫描段数：2图3 聚苯胺在0.5molL硫酸溶液中循环伏安曲线从图3 中，可以看出聚苯胺在0.5molL硫酸溶液中有较多的氧化还原峰，聚苯胺膜电极在0.5molL硫酸溶液中的电位为0.35V。图4 聚苯胺在0.05molL硫酸溶液中循环伏安曲线从图4 中，可以看出聚苯胺在0.05molL硫酸溶液中存在氧化还原峰，聚苯胺膜电极在0.05molL硫酸溶液中的电位为0.18V.图5 聚苯胺在0.005molL硫酸溶液中循

9、环伏安曲线从图5 中，可以看出聚苯胺在0.005molL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0.005molL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1 PH与E(v)值PH4.0030.5mol/L硫酸0.05mol/L硫酸0.005mol/L硫酸E(V)0.60.350.18-0.3根据表1，可以知道由于标准溶液的

10、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。