碳纳米管—共轭高分子溴掺杂复合材料的导电性和导电机理研究

发布时间：2018-01-14 18:19

本文关键词：碳纳米管—共轭高分子溴掺杂复合材料的导电性和导电机理研究　出处：《华东师范大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：自20世纪70年代导电高分子出现以来,其良好的电学、电化学、光学等物理化学性能使得导电高分子具有非常大的应用前景。随着近年来导电高分子在电池、储氢材料、超级电容器、电磁屏蔽和传感器等很多领域应用研究的发展,发现很多导电高分子的低导电性阻碍了其他性能提升,因此进一步提高导电高分子的导电性引起了广泛关注和研究者们的兴趣。本文对当前研究最为广泛的聚苯胺、聚毗咯及其共聚物和聚噻吩的导电性能和导电机理开展了以下几个方面的研究:1.预聚对苯胺-吡咯共聚物导电性能的影响本文通过适当的预聚,使共聚物P(An-Py)的电导率达到了与均聚物同一个数量级(10-1 S/cm),甚至略高于均聚物,而不会随着共聚物的单体组分的变化出现下降。两种单体只要各自预聚15 min,共聚物P(1An-3Py)和P(1An-1Py)的电导率就能分别上升3个数量级和4倍以上。SEM表征发现,预聚并不会使共聚物的形貌发生变化。从红外光谱和XPS可以看出,预聚后共聚物中存在苯胺单体自身相连的苯胺链,吡咯上的N原子对邻近的质子化苯胺上游离H+的类氢键作用大大减少了,使共聚物链中苯胺链上能够游离的质子数量增多,N+含量升高,即载流子浓度增大,从而电导率急剧升高。2.不同掺溴方法对聚苯胺及其碳纳米管复合材料的导电性能的影响本文采用了压片溴水处理、粉末溴蒸汽吸附和压片液溴处理3种方法对复合材料进行溴掺杂。研究发现,采用压片液溴处理得到的复合物,Br2/10%CNTs-PANI-Ⅲ的电导率比未掺溴之前提高了 3 × 106倍,接近了我们所使用的纯CNTs的电导率。与溴掺杂PANI相比,我们发现掺溴CNTs-PANI复合物中,CNTs和溴对复合物电导率的贡献存在协同效应。从红外光谱、XPS和温度处理实验可以看出溴与复合材料之间存在两种作用:一方面溴掺杂在复合物里面,促进材料的电导率急剧上升;另一方面,溴对复合物体系的结构有一定的破坏作用,主要表现在溴与聚苯胺发生取代反应破坏了复合物的共轭体系,以及溴的强氧化性降低了聚苯胺的分子量。3.液溴掺杂及其用量对CNTs-共轭高分子复合材料导电性能的影响本文对碳纳米管-聚苯胺(CNTs-PANI)、碳纳米管-苯胺-吡咯共聚物(CNTs-P(1An-3Py))、碳纳米管-聚噻吩(CNTs-PTh)和碳纳米管-聚吡咯(CNTs-PPy)粉末进行了液溴掺杂处理,研究了他们的导电性能和导电机理。结果表明CNTs-PPy和CNTs-P(1An-3Py)的导电性能溴掺杂之后基本没有提高,CNTs-PTh和CNTs-PANI在掺溴后电导率分别提高了 5个和7个数量级。特别是对于10%CNTs-PANI,掺溴后复合材料的电导率与纯CNTs的相当。通过Hall-effect、XRD、UV-Vis、FTIR和XPS的分析可知,对于电导率有巨大提高的CNTs-PANI和CNTs-PTh来说,载流子浓度和迁移率的提高共同促进了电导率的迅速提高。而且高分子基体中所含杂原子不同,掺溴后发生的相互作用有所差异。当杂原子是N时,掺溴后溴与复合材料之间形成了 p-π共轭,使N原子上的电子能够离域在更大的范围内,形成了更多的氮阳离子自由基(N+);同时这也造成碳链和溴的外层电子云密度增大,形成了Br3-and Br-,共同促进了电导率的提升。当杂原子为S时,CNTs与PTh之间的π-π相互作用,和掺溴后溴与复合材料之间形成的电子转移复合物共同促进了载流子浓度和迁移率的上升,促使电导率提高。本文为导电高分子共聚物低电导率的问题提供了一种改善的办法,这种办法能够适用于其他类型的导电高分子共聚物,是一种通用的方法。本文还研究不同的掺溴方法对导电高分子复合材料电导率的影响,发现液溴掺杂是一种最好的提升复合材料导电性能的方法,为导电高分子复合材料导电性进一步优化奠定了基础。
[Abstract]:The results show that the conductivity of the copolymer P ( An - py ) can be increased by 3 orders of magnitude and more than 4 times . The results show that the conductivity of the copolymer P ( An - py ) can be increased by 3 orders of magnitude and 4 times higher than that before bromine . UV - Vis , FTIR and XPS analysis show that the increase of carrier concentration and mobility is promoted by the increase of carrier concentration and mobility in CNTs - pani and CNTs - PTh with large conductivity . When the hetero atom is S , the electron transfer complexes formed between the bromine and the composite promote the increase of the carrier concentration and mobility .

【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332

【参考文献】