导电高分子/无机纳米复合材料的合成、表征及其应用

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分别采用表面聚合法、自组装法、模板法、界面聚合等方法制备了导电高分子聚苯胺(聚吡咯)和一些无机物的纳米复合材料。通过控制适当的反应条件,在一定范围内实现了对产品尺寸和形貌的控制。利用粉末X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外光谱(UV—vis)、红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对产品的结构、尺寸、形态及成分进行了表征,并通过循环伏安对产品的电学性能进行了研究。另外,还对所合成的一些材料进行了一定的应用研究。主要内容概括如下: 1.表面聚合法制备聚苯胺/MCM—41复合材料 根据表面聚合的理论合成了聚苯胺(PANI),/介孔MCM—41的复合材料,并且利用热重分析和X—射线光电子能谱分析手段通过与PANI/实心的二氧化硅(SiO2)球的对比,进一步的证明了表面聚合的理论。采用小角X射线衍射、等温氮吸附、扫描电镜、红外光谱、紫外吸收光谱等对样品的形貌和组成进行了表征。与纯聚苯胺相比,PANI/MCM—41复合材料的热稳定性提高了。随着盐酸浓度的增加,聚苯胺的掺杂度增加,并且在700 nm处的紫外吸收峰发生红移,电导率也随之上升。红外结果显示聚苯胺和MCM—41之间有强烈的相互作用。 2.自组装法合成聚苯胺/金纳米管和纳米纤维 分别以樟脑磺酸和盐酸作为掺杂剂,采用自组装的方法合成了聚苯胺(PANI)/金(Au)复合物的纳米管和纳米纤维。采用红外光谱、紫外光谱和热重分析证实和测定了金在PANI/Au复合物中的存在和含量。用扫描电镜、透射电镜和X—射线衍射对样品的结构特征进行表征,发现金纳米粒子能够提高PANI的电导率和结晶度。这种自组装的方法非常简单、廉价,并且有望用于合成其它无机物和PANI复合材料的多功能纳米管和纳米纤维。 3.聚苯胺/金复合材料空心球的合成、表征及其对多巴胺检测的应用 采用聚苯乙烯/磺化聚苯乙烯核壳型粒子为模板成功地制备出聚苯胺/金复合材料空心球。通过调节实验条件可以有效地控制聚苯胺的壳层厚度以及修饰在聚苯胺壳层上的金纳米粒子的数量。采用扫描电镜、透射电镜、X—射线衍射、热重分析、X—射线光电子能谱、红外、紫外光谱等技术对最终产物的形貌、组成和光学性质进行了系统的表征和测试。实验结果发现聚苯胺/金复合材料空心球的电导率比纯粹聚苯胺空心球的电导率高3倍多。将所得的聚苯胺/金复合材料空心球固定到玻碳电极表面并使其构建成一个生物传感器,这个生物传感器显示了一对氧化还原峰,并且对于多巴胺的氧化具有很强的催化能力,比纯粹聚苯胺空心球修饰电极高2.8倍。考察了修饰电极的稳定性和重现性。对复合材料空心球的形成机理以及高的电催化氧化多巴胺的能力进行了较为详细的探讨。 4.一步法合成具有高电活性的AgCl/聚苯胺核壳结构 在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的存在下,采用简单的一步法合成了AgCl/聚苯胺(PANI)核壳型复合材料。PVP不仅能够作为稳定剂导致核壳结构的生成,而且能够有效地阻止聚苯胺的团聚。透射电镜直接显示了产物的核壳结构,红外光谱证明了聚苯胺的形成,X—射线衍射表明AgCl晶体存在于复合材料中,循环伏安实验表明这种材料在中性条件下具有很好的氧化还原能力。基于AgCl/PANI好的电化学行为,将其构建了一个H2O2的生物传感器。这个生物传感器对H2O2响应快速,线性范围在6×10-4~9×10-3mol/L之间。 5.反应性模板法合成聚吡咯/普鲁士兰和聚吡咯/银的复合微管 通过反应性模板合成了聚吡咯(PPy)/普鲁士兰(PB)和PPy/Ag复合物的微管。和传统的模板合成方法相比,反应性模板甲基橙在聚合后无需模板后处理。探讨了产物的形成机理、结构特征、电导率及其电化学性质。 6.Ag/聚吡咯核壳结构的合成、表征以及被金修饰 在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的存在下,采用油水界面的方法合成了聚吡咯(PPy)包裹银的复合材料,通过控制适当的实验条件可以制备出分散度很高的Ag/PPy的复合材料。PVP的存在能够使得PPy在银的表面实现有效的包裹层。采用透射电镜、红外光谱和X—射线衍射对Ag/PPy的核壳结构进行了表征。Ag/PPy进一步通过金纳米粒子进行修饰得到了三层的Ag/PPy/Au的复合材料。通过将Ag/PPy/Au固定到玻碳电极的表面,构建了一个多巴胺的生物传感器。该生物传感器对多巴胺的氧化具有快速响应性,线性范围在1×10-4~5×10-3 mol/L之间。 7.在壳聚糖的作用下合成形貌可控的Ag/聚吡咯的核壳结构 在壳聚糖的作用下,采用吡咯单体和硝酸银之间的氧化还原反应制备了Ag/聚吡咯(PPy)的核壳型纳米粒子和纳米线。采用扫描电镜、透射电镜、X—射线衍射、红外光谱以及循环伏安对Ag/PPy复合物的形态、组成和电化学性质进行了表征和测试。该合成方法简单、廉价,可用于制备其它导电高分子/无机纳米复合材料。
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