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聚苯胺及其衍生物的电化学制备和应用研究

周海晖  
【摘要】:有机导电聚合物具有优良的物理化学性能,在电化学催化、化学生物传感器、电化学电容器等诸多领域有着广泛的应用前景。在众多的有机导电聚合物中,聚苯胺(PANI)由于原料廉价易得、合成简单、电导率较高、环境稳定性好等特点已成为当今研究的热点。近年来,随着纳米技术和复合材料的飞速发展,一些具有纳米尺寸的导电聚苯胺和导电聚苯胺复合膜已被成功地合成出来,这种具有特殊结构的导电聚苯胺可望在保持聚苯胺原有性能的基础上进一步拓展其功能特性。本论文首次采用脉冲电流技术(PGM)在无模板、非限域的条件下合成了具有纳米纤维结构的导电聚苯胺,并就其在电化学生物传感、电化学催化、电化学电容等领域的应用展开了研究,论文主要研究结果如下: 1.以不锈钢(SS)为基底材料,首次采用脉冲电流方法在无模板、非限域的条件下成功地在小质子酸(硫酸或硝酸)水溶液中合成出了具有纳米纤维结构的导电聚苯胺膜。详细探讨了电解工艺参数(脉冲占空比、频率、平均电流密度以及溶液温度)等对纳米纤维聚苯胺膜合成的影响,获得了制取纳米纤维聚苯胺的最佳工艺条件。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜和循环伏安法(CVM)对膜层的微观结构、电化学性能进行了详细的研究。结果表明,PANI膜由直径为70~100nm的聚苯胺纤维交织而成,纳米纤维之间存在大量缝隙和孔洞。这种纳米纤维结构的导电聚苯胺膜与采用常规化学或电化学方法制备的颗粒状聚苯胺膜相比较,有着更大的比表面、更好的离子电子导电性能和更高的电化学反应活性,是一种性能更加优异的功能膜或功能性载体膜。 2.以制备的纳米纤维状聚苯胺为载体负载Pt催化剂,制得新型的Pt/(nano-fibrous PANI)复合电极,研究其对甲醇氧化的电催化性能。SEM、能量散射谱结果显示复合电极的结构为直径50~80nm左右的Pt颗粒均匀地分散在纳米聚苯胺纤维上。循环伏安、交流阻抗结果表明,Pt/(nano-fibrous PANI)复合电极对甲醇的阳极氧化有着优异的催化活性和协同催化作用。当Pt载量大于200μg/cm~2时,这种电极对甲醇氧化的电催化活性远优于Pt微粒修饰的颗粒聚苯胺电极和裸铂电极。研究结果还表明,不同的Pt沉积修饰方法(PGM、CVM)对电极催化活性有较大影响。 3.采用PGM或CVM分别在Pt或SS表面合成出聚间苯二胺膜(PMPD)、聚苯胺-石墨复合膜(PGCF)和Pt/(nano-fibrous PANI)。以上述三种膜为基质,采用电化学掺杂的方法,成功地制得了结构新颖、性能优异的聚间苯二胺葡萄糖氧化酶电极(PMPD-GOD)、Pt修饰纳米纤维聚苯胺葡萄糖氧化酶电极


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