聚苯胺纳米复合材料的制备及其微波吸收和电化学性能研究

发布时间：2017-10-06 14:56

  本文关键词：聚苯胺纳米复合材料的制备及其微波吸收和电化学性能研究

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【摘要】：导电聚苯胺(PANI)材料由于合成方法简单,理化性能优异以及环境稳定性好等优点在微波吸收、电磁屏蔽和超级电容器等方面具有广泛用途。但是本征态聚苯胺的导电性比较差,即使经过质子酸掺杂的聚苯胺也是属于半导体性质,这大大地限制了它的应用。为了解决这个问题,通常将聚苯胺与其他电导率较高的纳米材料(如碳纳米管、石墨烯等)进行复合。此外,导电聚苯胺还可以和磁性纳米材料复合,使之兼具电、磁性能。碳量子点是一种新型的碳纳米材料,尺寸一般在10 nm以下,主要由sp2杂化的碳原子所构成。它不仅合成简单、成本低,而且具有优异的荧光性质和非常低的生物毒性,因此近年来在细胞显影、生物传感器以及光催化等方面越来越受到青睐。更为重要的是,有研究表明碳量子点既是一种良好的电子供体又可以充当电子受体。本文利用天然产物魔芋粉为碳源,通过热解法合成出了碳量子点,与聚苯胺通过原位聚合的方法进行掺杂,分别制备出PANI/ferrocene/CDs和PANI/CoS/CDs三元复合物,并且对它们的形貌、结构、电容性质和微波吸收性能进行了研究。其中,还探索了外加磁场下合成对所获得的PANI/CoS/CDs复合物的形貌、电容性质和微波吸收性能的影响。主要研究内容如下：一、以魔芋粉为碳源,制备了尺寸约为1-2 nnl的碳量子点(CDs),通过原位聚合的方法合成了CDs和二茂铁(ferrocene)共掺杂的PANI,即PANI/ferrocene/CDs三元复合物。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、核磁共振氢谱(1H NMR)、荧光光谱(PL)、热重分析(TG)等测试手段对其形貌、结构和组成进行了表征。同时,研究了该三元复合物的微波吸收性能,研究结果显示：与单一PANI及PANI/CDs二元复合物相比,PANI/ferrocene/CDs三元复合物具有更强的微波吸收,该样品在频率为5.4 GHz处微波反射损耗最多可达到-25.4 dB。对PANI/ferrocene/CDs三元复合物的电磁参量分析结果表明,微波吸收性能的增强主要来自于其介电损耗增大。Cole-Cole德拜(Debye)极化弛豫曲线中的两个半圆说明存在双重介电弛豫损耗：偶极子弛豫和界面弛豫,其中起主要作用的可能是由于CDs的小尺寸以及比PANI高的介电常数所导致的界面极化弛豫增强。二、在O.5 T外加磁场作用下,将CDs、苯胺、氯化钻和硫化钠通过原位聚合的方法,合成了具有中空微球形貌的PANI/CoS/CDs-0.5T三元复合物。研究结果表明：相比于在没有外加磁场的条件得到的PANI/CoS/CDs-OT复合物,外加磁场增大了PANI/CoS/CDs-0.5T复合物的结晶性；相比于PANI-0.5T、 PANI/CoS-0.5T和PANI/CoS/CDs-OT复合物,PANI/CoS/CDs-0.5T复合物显示出了更好的吸波性能,当苯胺、硫化钠和氯化钴的投料比为3：1：1时,PANI/CoS/CDs-0.5T三元复合物吸波性能达到最大,例如在频率为14 GHz处反射损耗可达到-24 dB。而且,在外加磁场作用下合成的PANI/CoS/CDs-0.5T且有弱磁性,而未加磁场条件下合成的PANI/CoS/CDs-OT复合物基本无磁性,因此,磁损耗的存在导致PANI/CoS/CDs-0.5T的微波吸收性能比PANI/CoS/CDs-OT有所增强。此外,其Cole-Cole图中存在好几个半圆说明除了Debye弛豫,还可能有麦克斯韦-瓦格尔(Maxwell-Wagner)弛豫(主要是界面极化弛豫)以及电子极化弛豫,从而导致其介电损耗也增大。三、在外加磁场和不加磁场的条件下,分别研究了PANI/CoS/CDs-0.5T和PANI/CoS/CDs-OT的电化学性能。研究结果表明,在外加磁场条件下,PANI/CoS/CDs-0.5T和PANI/CoS/CDs-OT的电容值比未加磁场条件下测得的都要大,而且PANI/CoS/CDs-0.5T的电容值比PANI/CoS/CDs-OT还略大一些。这不仅是因为具有中空球状形貌的PANI/CoS/CDs-0.5T的比表面积比形貌不规则的PANI/CoS/CDs-OT要大,而且前者结晶性也比后者好,这可能是因为PANI分子链在外加磁场下取向并且排列更加规整。当PANI/CoS/CDs-0.5T复合物和PANI/CoS/CDs-OT复合物作为电极材料时,阻抗测试显示有外加磁场条件下可以减小电极表面与电解液界面处的电荷传输电阻,从而使得这两者的磁阻电容都比未加磁场条件下测试的值大。
【关键词】：聚苯胺 碳量子点 微波吸收 磁场 磁阻电容
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-32
• 1.1 引言10
• 1.2 聚苯胺简介10-17
• 1.2.1 聚苯胺的结构11-14
• 1.2.2 聚苯胺的合成方法14-16
• 1.2.3 聚苯胺的性质16-17
• 1.3 聚苯胺在微波吸波和超级电容器中的应用17-23
• 1.3.1 微波吸波机理18
• 1.3.2 微波吸收材料的分类18
• 1.3.3 聚苯胺在微波吸收材料中的应用18-21
• 1.3.4 聚苯胺在超级电容器中的应用21-23
• 1.4 碳量子点及其结构和基本性质23-24
• 1.4.1 碳量子点的结构23
• 1.4.2 碳量子点的基本性质与应用23-24
• 1.5 本论文的设计思想及主要研究内容24-26
• 参考文献26-32
• 第二章 聚苯胺/二茂铁/碳点三元复合物的合成及其吸波性能研究32-44
• 2.1 背景介绍32-33
• 2.2 实验部分33-35
• 2.2.1 实验设备及试剂33-34
• 2.2.2 实验过程34
• 2.2.3 测试与表征34-35
• 2.3 结果与讨论35-40
• 2.4 本章小结40-41
• 参考文献41-44
• 第三章 聚苯胺/硫化钴/碳点三元复合物的合成及其吸波性能研究44-65
• 3.1 背景介绍44-45
• 3.2 实验部分45-48
• 3.2.1 实验设备及试剂45-46
• 3.2.2 实验过程46-47
• 3.2.3 测试与表征47-48
• 3.3 结果与讨论48-59
• 3.4 本章小结59-60
• 参考文献60-65
• 第四章 磁场下聚苯胺/硫化钻/碳点三元复合物的合成及其磁电容性能研究65-77
• 4.1 背景介绍65-66
• 4.2 实验部分66-68
• 4.2.1 实验设备及试剂66-67
• 4.2.2 实验过程67
• 4.2.3 测试与表征67-68
• 4.3 结果与讨论68-73
• 4.4 小结73
• 参考文献73-77
• 第五章 结论77-79
• 致谢79-80
• 附录：在读硕士期间发表的学术论文80

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本文编号：983387