Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của vật liệu Polyanilin biến tính

Download miễn phí Đồ án Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của vật liệu Polyanilin biến tính





MỤC LỤC

Trang

PHẦN MỞ ĐẦU

PHẦN I: TỔNG QUAN

I.1. Giới thiệu chung về Polyanilin

I.2. Cấu trúc Polyanilin

I.3. Các tính chất cơ bản của Polyanilin

I.3.1. Tính dẫn điện

I.3.2. Các dạng oxy hóa –khử

I.3.3. Tính điện sắc

I.3.4. Khả năng tích trữ năng lượng

I.4. Tổng hợp Polyanilin

I.4.1 Monome- Anilin

I.4.2. Tổng hợp Polyanilin

I.4.2.1. Phương pháp điện hóa

I.4.2.1. Phương pháp hóa học

I.4.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp

I.4.3. Doping Polyanilin

I.5. Ứng dụng Polyanilin

PHẦN II: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

II.1. Phương pháp đo độ dẫn bằng quét thế tuần hoàn

II.2 .Phương pháp phổ hồng ngoại

II.3. Phương pháp phổ kính hiển vi điện tử quét

II.4. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai

PHẦN III: THỰC NGHIỆM.

III.1. Hoá chất và công cụ thí nghiệm

III.1.1. Hoá chất

III.1.2. công cụ thí nghiệm

III.2. Tiến hành thí nghiêm

 

 

 

 

 Trang

 

PHẦN IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

IV.1. Nghiên cứu phổ hồng ngoại

IV.2. Nghiên cứu độ dẫn điện

IV.3. Nghiên cứu phổ kính hiển vi điện tử

IV.4. Nghiên cứu phổ nhiệt vi sai

PHẦN V. KẾT LUẬN.

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

 





Để tải tài liệu này, vui lòng Trả lời bài viết, Mods sẽ gửi Link download cho bạn ngay qua hòm tin nhắn.

Ket-noi - Kho tài liệu miễn phí lớn nhất của bạn


Ai cần tài liệu gì mà không tìm thấy ở Ket-noi, đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí

Tóm tắt nội dung tài liệu:


nhóm imin khác tại đây có khả năng tách proton ra khỏi mạch .
Từ sơ đồ trên ta thấy quá trình proton hóa, đề proton hóa tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình dịch chuyển điện tích trong chuỗi. Sự trao đổi điện tích nội phân tử kéo theo sự dịch chuyển cấu trúc quinoid trong mạch polyme. Với polyme đã đề proton hóa hoàn toàn ở trạng thái trung gian thì không có sự dịch chuyển cấu trúc quynoid. Tuy nhiên khi imin nitrogen được proton hóa thì sự dịch chuyển qua khoảng cách hai vòng benzen được thực hiện do cộng hưởng hóa trị. Nếu cả hai imin nitrogen bị proton hóa thi sự dịch chuyển qua số vòng lớn hơn. tuy vậy bất kỳ imin nitrogen nào bị đề proton hóa sẽ tác dụng như một vật cản đối với sự chuyển dịch điện tích trong mạch polyme [4].
Sự proton hóa của các mắt xích quinon điimin không triệt để ở pH cao. Tuy nhiên chỉ proton hóa một phần nào đó cũng đủ để giảm điện trở xuống lũy thừa bậc 3 khi có mặt chất điện ly [2]. Thêm vào đó độ nhạy của điện trở với hàm ẩm cũng tăng theo pH. Những hiện tượng này nhấn mạnh rằng những phản ứng trao đổi proton đóng vai trò trung tâm trong cơ chế dẫn điện trong PANi.
Tính chất của sản phẩm polyme dẫn điện không chỉ phụ thuộc vào pH mà còn phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như : nhiệt độ , tác nhân oxy hóa, thời gian phản ứng, nồng độ monome, chất doping [5,14,19,20].
I.3.3. Tính điện sắc
Polyanilin có tính điện sắc vì mầu của nó thay đổi do phản ứng oxy hóa khử của màng. Người ta đã chứng minh PANi thể hiện được rất nhiều mầu: Từ mầu vàng nhạt đến mầu xanh lá cây, xanh sẫm và tím đen [2,20]. Mầu sắc sản phẩm polyanilin có thể được quan sát tại các điện thế khác nhau (so với điện cực calomen bão hòa) trên điện cực Pt như sau: màu vàng (-0,2V) màu xanh nhạt (0,0V) mầu xanh thẫm (0,65V) các màu sắc này tương ứng với các trạng thái oxy hóa khác nhau [18]. Khi doping thêm các chất khác thì sự thay đổi màu sắc của Polyanilin sẽ đa dạng hơn. Ví dụ như khi doping thêm ion Cl- thì mầu sắc của Polyanilin có thể thay đổi mầu sắc từ mầu vàng (trạng thái khử) sang mẫu xanh (trạng thái oxy hóa) [23].
1.3.4. Khả năng tích trữ năng lượng
Polyanilin có khả năng tích trữ năng lượng cao nên người ta đã sử dụng nó làm vật liệu chế tạo nguồn điện thứ cấp.Ví dụ thay thế MnO2 trong pin Leclanche để trở thành ắc quy Zn/polyanilin có khả năng phóng nạp nhiều lần.
Cơ chế phản ứng trong quá trình phóng nạp ắc quy Zn/polyanilin xảy ra tại điện cực âm và dương như sau [18]:
tại cực âm: Zn Zn2+ +2e- (7)
Dung lượng riêng của ắc quy được xác định theo công thức [12]:
(10)
Trong đó:
Q : là dung lượng riêng của ắc quy (mAh/g).
I : dòng phóng (mA).
t : thời gian phóng (h).
m : khối lượng chất hoạt động trong ắc quy (g).
ắc quy Zn/polyanilin có dung lượng riêng cỡ 40 đến 70Ah tùy thuộc vào công nghệ chế tạo.
I.4. Tổng hợp Polyanilin
I.4.1. Monome- Anilin [10,23] :
I.4.1.1. Tính chất vật lý:
Anilin là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C6H7N, M= 93,13 g/mol, là chất lỏng không mầu nhưng sẽ chuyển thành mầu nâu khi gặp không khí hay ánh sáng. Các đại lượng vật lý quan trọng được thể hiện ở dưới đây:
Các đại lượng vật lý của Anilin
Tỷ trọng(g/cm3): 1,022
Độ nhớt (m.Pa.s):
ở 200C 4,35
ở 600C 1,62
Độ tan (g /100g H2O): 3,7
Nhiệt dung riêng (J.g-1.K-1): 2,06
Nhiệt độ sôi (0C, 101,3kPa): 184
Nhiệt độ nóng chảy (0C): -6
I.4.1.2. Tính chất hóa học
* Tính bazơ: Anilin có tính bazơ là do trên nguyên tử Nitơ của nhóm -NH2 còn cặp electron (p) chưa chia. Tuy nhiên tính bazơ của Anilin khá yếu (Kb= 3,8.10-10) vì cặp electron chưa chia này tham gia liên hợp và hệ thống electron của vòng benzen.Tác dụng với axít tạo muối.
* Phản ứng Axy hóa:
*) Phản ứng với HNO2 ( Tạo muối diazonium).
*) Phản ứng oxy hóa:
*) Phản ứng thế ở nhân thơm: Nhóm –NH2 là nhóm hoạt hóa mạnh nên phản ứng thường xảy ra ở cả 2 vị trí ortho và para tạo sản phẩm hai đến ba lần thế
(15), (16)
*) Phản ứng polyme hóa: Khi có mặt của các chất oxy hóa mạnh như amonipesunfat- (NH4)2S2O8.thì các phân tử anilin sẽ tham gia phản ứng trùng hợp tạo polyanilin:
I.4.2. Tổng hợp Polyanilin
Trong các polyme dẫn thì PANi được quan tâm nhiều nhất. Một trong các lý do là khả năng tổng hợp đơn giản, sản phẩm thu được có tính bền nhiệt, bền môi trường. Có thể tổng hợp Polyanilin bằng phương pháp điện hóa hay hóa học.
I.4.2.1. Phương pháp điện hóa
Tổng hợp PANi nói riêng và polyme dẫn nói chung theo con đường điện hóa có nhiều ưu điểm. Quá trình điện kết tủa polyme bao gồm cả khơi mào và phát triển mạch xảy ra trên bề mặt điện cực [2,12,24]. Ta có thể điều chỉnh các thông số đặc biệt của quá trình trùng hợp điện hóa và tạo ra sản phẩm polyme với các tính chất cơ lý, điện, quang tốt. Các phương pháp điện hóa thường dùng để tổng hợp PANi: dòng tĩnh, thế tĩnh, quét thế tuần hoàn, xung dòng, xung thế [2,12]. Cho tới nay cơ chế tổng hợp PANi nói riêng và polyme dẫn nói chung chưa được lý giải một cách thuyết phục. Tuy nhiên về tổng thể cơ chế polyme hóa điện hóa PANi được mô tả gồm các gian đoạn chính sau [8]:
+) Khuếch tán và hấp phụ Anilin.
+) Oxy hóa Anilin.
+) Hình thành polyme trên bề mặt điện cực.
+) ổn định màng polyme.
+) Oxy hóa khử bản thân màng PANi.
Theo cơ chế tổng hợp trên có hai giai đoạn liên quan trực tiếp đến phản ứng là: giai đoạn khuếch tán và giai đoạn hấp phụ, phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ monome và giai đoạn oxy hóa Anilin phụ thuộc vào nồng độ Anilin đồng thời vào phân cực điện hóa. Cả nồng độ monome và mật độ dòng đều có ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ và hiệu suất polyme hóa. Ngoài hai yếu tố kể trên tính chất sản phẩm polyme còn phụ tuộc vào dung dịch điện ly, nhiệt độ, thời gian, pH, vật liệu làm điện cực nghiên cứu [12].
I.4.2.2. Phương pháp hóa học
Tuy phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp hóa học. Nhưng để sản xuất với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với có khối lượng lớn thì phương pháp hóa học được sử dụng nhiều hơn [5,19].
Quá trình trùng hợp Anilin tạo Polyanilin được diễn ra trong sự có mặt của tác nhân oxy hóa làm xúc tác. Người ta thường sử dụng anomipesunfat- (NH4)2S2O8 làm chất oxy hóa trong quá trình tổng hợp polyanilin. Bởi( NH4)2S2O8 cho tạo polyme có khối lượng phân tử rất cao (KLPT> 20000) và độ dẫn tối ưu hơn so với các chất oxy hóa khác [19,21]. Phản ứng trùng hợp các monome Anilin xảy ra trong môi trường axít (H2SO4, HCl, HclO4 ) hay môi trường có các hoạt chất oxy hóa như các tetra fluoroborat khác nhau (NaBF4 , NO2BF4, Et4NBF4) [24]. Trong những hệ PANi- NaBF4 , PANi-NO2BF4 , PANi-Et4NBF do tính chất thủy phân yếu của các cation nên anion sẽ thủy phân tạo ra HBF4, HBF4 đóng vai trò như một tác nhân proton hóa rất hiệu quả được sử dụng để làm tăng độ dẫn của polyme [12,24].
Tác nhân oxy hóa, bản chất môi trường điện ly và nồng của chúng có ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất lý hóa của Polyanilin [5,19]. Đã có rất nhiều cơ chế được đưa ra nhưng một trong những cơ chế được chấp nhận nhiều nhất hiện nay thể hiện ở sơ đồ hình 1.1 [19].
Quá trình tạo Polyanilin bắt đầu cùng với quá trình tạo gốc cation anilinium đây là giai đoạn quyết định tốc độ của quá trình. Hai gốc cation kết hợp lại để tạo N-phenyl-1,4-phenylenediamine có thế oxy hóa thấp hơn nhiều so với Anilin và nhanh chóng bị oxy hóa để tạo một gốc amin bậc 1 hay bậc 2. hay gốc cation N- phenyl-1,4-phenylenediamine hay gốc không mang điện sẽ kết hợp với gốc cation anilinium tạo dạng trime, trime này dễ dàng bị oxy hóa thành một gốc cation mới và lại dễ dàng kết hợp với 1 gốc cation anilinium khác để tạo thành dạng tetrame. Phản ứng chuỗi xảy ra tiếp cho đến khi tạo thành polyme có khối lượng phân tử lớn [19]. Bản chất của phản ứng polyme hóa này là tự xúc tác [19,20].
I.4.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp
Bản chất của dung dịch điện ly (pH), monome, chất oxy hóa và nồng độ cũng như tỷ lệ giữa các chất nêu trên có ảnh hưởng lớn đến quá trình trùng hợp. Ngoài ra nhiệt độ cũng có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình trùng hợp [21]. Khi nhiệt độ của phản ứng trùng hợp cao thì tốc độ của phản ứng tăng nhưng làm cho trọng lượng phân tử giảm xuống nhanh và sinh ra một số phản ứng phụ giữa các nhóm định chức của polyme và làm cho cấu trúc thiếu trật tự [11]. Khi nhiệt độ của phản ứng quá thấp thì tốc độ của phản ứng sẽ chậm và ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi sản phẩm.Trong phản ứng người ta khống chế nhiệt độ khoảng –40C đến 50C [17,21,24].
I.4.3. Doping Polyanilin
Các khái niệm cơ sở cũng như các biện pháp kỹ thuật để chế tạo các polyme dẫn điện tử bắt nguồn từ những thành tựu trong lĩnh vực chất bán dẫn. Đó là những chất dẫn electron với điện trở suất nằm trong khoảng từ 10-2 đến 109 (Wcm) ở nhiệt độ thường. Khi đưa thêm một số tạp chất hay tạo ra một số sai hỏng mạng lưới sẽ làm thay đổi tính chất dẫn điện của chất bán dẫn và sẽ tạo ra bán dẫn loại n hay loại p tùy thuộc vào bản chất của tạp chất lạ [14,15,18,20]. Độ dẫn của các polyme này phụ thuộc vào mức độ doping [21]. Người ta thường đưa vào mạch PANi các anion vô cơ hay hữu cơ như: Cl-, Br-, HClO4- , HSO4-, styren sunfonat, C7H6...

Music ♫

Copyright: Tài liệu đại học ©