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无机纳米粒子/导电聚苯胺纳米复合材料的研究

作　者: 王韶旭
导　师: 谭志诚；孙立贤
学　校: 中国科学院研究生院（大连化学物理研究所）
专　业: 物理化学
关键词: 聚苯胺 PANI/ZrO2 PANI/Co3O4 溶液聚合 乳液聚合 反胶束聚合 电导率 热稳定性 热降解动力学
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


近些年来,由于导电高分子纳米复合材料具有光、电、磁以及光、电、磁之间相互转换的功能,从而迅速发展为纳米复合材料的一个重要研究方向。本论文以聚苯胺（PANI）为研究对象,采用有机/无机复合体系,在PANI中分别引入ZrO2和Co3O4两种纳米粒子,从提高电导率和热稳定性等角度考虑,分别采用常规的溶液聚合及新的乳液聚合和反胶束聚合法制备了PANI/ZrO2和PANI/Co3O4两种新的导电高分子纳米复合材料。分别对上述三种方法制备的PANI/ZrO2和PANI/Co3O4的反应条件进行了优化,考察了各种制备条件对复合材料电导率的影响。实验结果表明,三种方法制备的PANI/ZrO2的电导率与聚苯胺相差不大;对于PANI/Co3O4来说,溶液聚合和反胶束聚合得到的该复合材料的电导率比聚苯胺高出了近两个数量级。使用热重法,分析了三种方法制备的上述两种复合材料的环境稳定性和热稳定性,并研究了其降解过程的热动力学。结果表明,三种方法制备的PANI/ZrO2和PANI/Co3O4的环境稳定性和热稳定性都高于相应方法制备的聚苯胺,其中,乳液聚合得到的复合材料的热稳定性最高。使用循环伏安法,充放电测试法以及交流阻抗法研究了PANI/Co3O4作为超级电容器电极材料的电容特性。复合材料电极显示出比纯聚苯胺更高的比电容,更好的能量特性以及在电容器应用方面更广阔的发展前景。最后,采用溶液涂覆法将PANI/ZrO2修饰到石英晶体微天平上,考察了其对空气中氨气含量的检测能力。当氨气的浓度在0.91～18.20 mgl-1范围时,校正曲线具有良好的线性关系。2.26%的相对标准偏差表明该传感器具有良好的可重现性。

全文目录


摘 要  3-4
Abstract  4-13
第一章 文献综述  13-45
  第一节 导电高分子纳米复合材料简介  13-25
    1.1.1 纳米材料  13-14
    1.1.2 纳米复合材料  14-16
    1.1.3 导电聚合物  16-19
    1.1.4 导电聚苯胺  19-25
  第二节 导电高分子纳米复合材料研究现状  25-35
    1.2.1 具有稳定胶体形式的导电高分子纳米复合材料  25-27
    1.2.2 表面带功能基团的导电高分子纳米复合材料  27-28
    1.2.3 具有纳米形态的导电高分子纳米复合材料的其它合成方法  28-30
    1.2.4 兼具电、磁特性的导电高分子纳米复合材料  30-32
    1.2.5 具有其它功能的导电高分子纳米复合材料  32-35
  第三节 本论文的工作思路及主要内容  35-37
  参考文献  37-45
第二章 溶液聚合原位复合法制备SPANI/ZrO_2和 SPANI/Co_3O_4纳米复合材料  45-79
  第一节 实验材料、方法及仪器  45-49
    2.1.1 实验原料与仪器  45-46
    2.1.2 SPANI/ZrO_2 和SPANI/Co_3O_4 纳米复合材料的制备  46-47
      2.1.2.1 SPANI 的制备  46-47
      2.1.2.2 SPANI/ZrO_2 纳米复合材料的制备  47
      2.1.2.3 SPANI/Co_3O_4 纳米复合材料的制备  47
    2.1.3 SPANI 纳米复合材料的结构及形貌表征  47-48
      2.1.3.1 红外光谱  47-48
      2.1.3.2 透射电镜  48
      2.1.3.3 X 射线衍射  48
    2.1.4 SPANI 纳米复合材料性能测试  48-49
      2.1.4.1 热重测试  48-49
      2.1.4.2 直流电导率测试  49
  第二节 SPANI/ZrO_2纳米复合材料的结构表征及性能评价  49-65
    2.2.1 SPANI/ZrO_2 纳米复合材料结构及表面形貌的表征  49-52
      2.2.1.1 SPANI/ZrO_2 复合材料红外光谱分析  49-50
      2.2.1.2 SPANI/ZrO_2 复合材料透射电镜分析  50-51
      2.2.1.3 SPANI/ZrO_2复合材料X射线衍射分析  51-52
    2.2.2 SPANI/ZrO_2 纳米复合材料的导电性能及其影响因素  52-57
      2.2.2.1 反应温度和反应时间对SPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  52-54
      2.2.2.2 氧化剂的用量对SPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  54-55
      2.2.2.3 掺杂酸种类及用量对SPANI/ZrO_2复合材料电导率的影响  55-56
      2.2.2.4 ZrO_2 用量对SPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  56-57
    2.2.3 SPANI/ZrO_2 纳米复合材料的热分析  57-65
      2.2.3.1 ZrO_2用量对SPANI/ZrO_2复合材料热稳定性的影响  57-63
      2.2.3.2 掺杂酸对SPANI/ZrO_2复合材料热稳定性的影响  63-65
  第三节 SPANI/Co_3O_4纳米复合材料的结构表征及性能评价  65-75
    2.3.1 SPANI/Co_3O_4 纳米复合材料结构及表面形貌的表征  65-68
      2.3.1.1 SPANI/Co_3O_4 复合材料红外光谱分析  65-66
      2.3.1.2 SPANI/Co_3O_4 复合材料透射电镜分析  66-67
      2.3.1.3 SPANI/Co_3O_4 复合材料的X 射线衍射分析  67-68
    2.3.2 SPANI/Co_3O_4 纳米复合材料的导电性能及其影响因素  68-70
    2.3.3 SPANI/Co_3O_4 纳米复合材料的热分析  70-75
      2.3.3.1 Co_3O_4 用量对SPANI/Co_3O_4 复合材料热稳定性的影响  70-73
      2.3.3.2 掺杂酸对SPANI/Co_3O_4复合材料热稳定性的影响  73-75
  本章小结  75-76
  参考文献  76-79
第三章 乳液聚合原位复合法制备EPANI/ZrO_2和 EPANI/Co_3O_4纳米复合材料  79-105
  第一节 实验材料、方法及仪器  79-80
    3.1.1 实验原料与仪器  79
    3.1.2 EPANI/ZrO_2和EPANI/Co_3O_4纳米复合材料的制备  79-80
      3.1.2.1 EPANI 的制备  79-80
      3.1.2.2 EPANI/ZrO_2 纳米复合材料的制备  80
      3.1.2.3 EPANI/Co_3O_4 纳米复合材料的制备  80
  第二节 EPANI/ZrO_2纳米复合材料的结构表征及性能评价  80-94
    3.2.1 EPANI/ZrO_2 纳米复合材料结构及表面形貌的表征  80-83
      3.2.1.1 EPANI/ZrO_2 复合材料红外光谱分析  80-81
      3.2.1.2 EPANI/ZrO_2复合材料X射线衍射分析  81-82
      3.2.1.3 EPANI/ZrO_2 纳米复合材料的表面形貌分析  82-83
    3.2.2 EPANI/ZrO_2 纳米复合材料的导电性能及其影响因素  83-88
      3.2.2.1 反应温度对EPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  83-84
      3.2.2.2 反应时间对EPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  84-85
      3.2.2.3 水－二甲苯配比对EPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  85
      3.2.2.4 引发剂的浓度对EPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  85-86
      3.2.2.5 掺杂剂的种类及用量对EPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  86-87
      3.2.2.6 ZrO_2 用量对EPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  87-88
    3.2.3 EPANI/ZrO_2 纳米复合材料热稳定性分析  88-94
      3.2.3.1 ZrO_2 用量对EPANI/ZrO_2 复合材料热稳定性的影响  88-93
      3.2.3.2 掺杂酸对EPANI/ZrO_2 复合材料热稳定性的影响  93-94
  第三节 EPANI/Co_3O_4纳米复合材料的结构表征及性能评价  94-103
    3.3.1 EPANI/Co_3O_4 纳米复合材料结构及表面形貌的表征  94-97
      3.3.1.1 EPANI/Co_3O_4复合材料红外光谱分析  94-95
      3.3.1.2 EPANI/Co_3O_4复合材料X射线衍射分析  95-96
      3.3.1.3 EPANI/Co_3O_4 复合材料透射电镜分析  96-97
    3.3.2 EPANI/Co_3O_4纳米复合材料导电性分析  97-99
    3.3.3 EPANI/Co_3O_4纳米复合材料热稳定性分析  99-103
      3.3.3.1 Co_3O_4 用量对EPANI/Co_3O_4 复合材料热稳定性的影响  99-102
      3.3.3.2 掺杂酸对EPANI/Co_3O_4 复合材料热稳定性的影响  102-103
  本章小结  103-104
  参考文献  104-105
第四章 反胶束原位复合法制备RPANI/ZrO_2和 RPANI/Co_3O_4纳米复合材料  105-135
  第一节 反胶束概述  106-107
  第二节 实验材料、方法及仪器  107-109
    4.2.1 实验原料及仪器  107
    4.2.2 RPANI/ZrO_2 和RPANI/Co_3O_4 纳米复合材料的制备  107-109
      4.2.2.1 RPANI 的制备  108
      4.2.2.2 RPANI/ZrO_2纳米复合材料的制备  108
      4.2.2.3 RPANI/Co_3O_4 纳米复合材料的制备  108-109
  第三节 RPANI/ZrO_2纳米复合材料的结构表征及性能评价  109-122
    4.3.1 RPANI/ZrO_2纳米复合材料结构及表面形貌的表征  109-111
      4.3.1.1 RPANI/ZrO_2 复合材料红外光谱分析  109-110
      4.3.1.2 RPANI/ZrO_2 复合材料X 射线衍射分析  110-111
      4.3.1.3 RPANI/ZrO_2 复合材料透射电镜分析  111
    4.3.2 RPANI/ZrO_2纳米复合材料导电性分析  111-116
      4.3.2.1 氧化剂与苯胺单体物质的量之比对RPANI/ZrO_2 复合材料导电性的影响  111-112
      4.3.2.2 反应时间对RPANI/ZrO_2 复合材料电导率的影响  112-113
      4.3.2.3 氧化剂滴加速度对RPANI/ZrO_2 复合材料导电性的影响  113-114
      4.3.2.4 微水相酸浓度对RPANI/ZrO_2.复合材料电导率的影响  114
      4.3.2.5 表面活性剂浓度对RPANI/ZrO_2 复合材料导电性的影响  114-115
      4.3.2.6 ZrO_2 用量及掺杂酸对RPANI/ZrO_2 复合材料导电性的影响  115-116
    4.3.3 RPANI/ZrO_2纳米复合材料热稳定性分析  116-122
      4.3.3.1 ZrO_2用量对RPANI/ZrO_2复合材料热稳定性的影响  116-121
      4.3.3.2 掺杂酸对RPANI/ZrO_2 复合材料热稳定性的影响  121-122
  第四节 RPANI/Co_3O_4纳米复合材料的结构表征及性能评价  122-130
    4.4.1 RPANI/Co_3O_4 纳米复合材料结构及表面形貌的表征  122-125
      4.4.1.1 RPANI/Co_3O_4 复合材料红外光谱分析  122-123
      4.4.1.2 RPANI/Co_3O_4复合材料X射线衍射分析  123-124
      4.4.1.3 RPANI/Co_3O_4 复合材料透射电镜分析  124-125
    4.4.2 RPANI/Co_3O_4纳米复合材料导电性分析  125-126
    4.4.3 RPANI/Co_3O_4纳米复合材料热稳定性分析  126-130
      4.4.3.1 Co_3O_4 用量对RPANI/Co_3O_4 复合材料热稳定性的影响  126-129
      4.4.3.2 掺杂酸对RPANI/Co_3O_4复合材料热稳定性的影响  129-130
  第五节 溶液聚合、乳液聚合、反胶束聚合原位复合法制备的 PANI/ZrO_2和PANI/Co_3O_4两种纳米复合材料性能比较  130-132
    4.5.1 溶液聚合、乳液聚合、反胶束聚合原位复合法制备的PANI/ZrO_2和PANI/Co_3O_4 两种纳米复合材料电导率比较  130-131
    4.5.2 溶液聚合、乳液聚合、反胶束聚合原位复合法制备的PANI/ZrO_2和PANI/Co_3O_4 两种纳米复合材料热稳定性比较  131-132
  本章小结  132-133
  参考文献  133-135
第五章 聚苯胺/四氧化三钴(PANI/Co_3O_4)纳米复合材料在电化学超级电容器中的初步应用  135-151
  第一节 导电聚合物超级电容器简介  136-138
    5.1.1 导电聚合物超级电容器的原理  136-137
    5.1.2 导电聚合物超级电容器的类型  137-138
  第二节 实验部分  138-142
    5.2.1 实验原料和实验仪器  138-139
    5.2.2 PANI/Co_3O_4 纳米复合材料电极的制备  139
    5.2.3 实验测试方法  139-142
      5.2.3.1 循环伏安实验  139-141
      5.2.3.2 恒电流充放电实验  141
      5.2.3.3 交流阻抗实验  141-142
  第三节 结果与讨论  142-149
    5.3.1 电容器充放电性能分析  142-145
    5.3.2 阻抗测试分析  145-146
    5.3.3 循环伏安分析  146-149
  本章小结  149
  参考文献  149-151
第六章 聚苯胺/二氧化锆纳米复合材料传感性能初步研究  151-168
  第一节 石英晶体微天平（QCM）简介  153-159
    6.1.1 QCM 原理  153-159
      6.1.1.1 压电现象  153-154
      6.1.1.2 压电石英晶体材料的选择  154-155
      6.1.1.3 压电石英晶体振荡的质量响应机制  155-158
      6.1.1.4 QCM 装置  158-159
  第二节 实验部分  159-161
    6.2.1 实验原料及仪器  159
    6.2.2 聚苯胺/二氧化锆（PANI/ZrO_2）纳米复合材料涂层的制备  159-160
    6.2.3 测量步骤  160
    6.2.4 晶振的再生  160-161
  第三节 结果和讨论  161-165
    6.3.1 石英晶片Cr/Pt 电极上涂层厚度的确定  161
    6.3.2 计算测量池中被注射的分析物浓度  161
    6.3.3 由氨气吸附引起的频移值的计算  161
    6.3.4 QCM 的响应特性  161-164
    6.3.5 PANI/ZrO_2 纳米复合材料修饰的压电传感器的敏感度  164
    6.3.6 PANI/ZrO_2 纳米复合材料修饰的压电传感器频率响应的重现性  164-165
  本章小结  165
  参考文献  165-168
第七章 结论  168-171
作者简介及发表文章目录  171-173
致谢  173

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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