论文部分内容阅读
聚苯胺是一种典型的导电高分子,具有电导率高、可逆掺杂／去掺杂行为和良好的环境稳定性。尤其是微／纳米结构的聚苯胺及其复合物在光、电和磁等方面具有更优异的性能,因此在传感器、分子器件、超级电容器和信息存储材料等领域具有广泛的应用前景。本文通过盘状向列相溶致液晶(ND LLC)体系(由十二烷基硫酸钠(SDS)、水和助剂形成)合成纳米层状聚苯胺,层间距达到3.4 nm。该结构是由聚苯胺和双层SDS分子交替排列形成的。本文的研究内容集中于ND LLC体系合成聚苯胺及其复合物。(1)将液晶的各向异性特点和核磁共振技术(NMR)结合起来,研究纳米层状聚苯胺的初期成核机理。首先通过变温13C NMR实验,发现升高温度ND LLC体系中的SDS胶束存在融合倾向,即较小尺寸的各向异性椭盘状胶束逐渐融合成各向同性圆盘状。通过NMR原位追踪实验表明升高温度和增加苯胺浓度均能促使苯胺单体由SDS亲水头基附近运动至胶束烃链构成的疏水腔中。进一步引发反应,发现整个聚合过程分为两步：①首先在胶束疏水腔中形成寡聚物；②当寡聚物生长到一定聚合度时,由胶束疏水腔滑落至SDS分子的亲水头基区域,进一步的分子链增长过程在此区域中进行。(2)搅拌条件对纳米层状聚苯胺的结构、掺杂程度及电化学性能的影响。实验发现,反应全程采用搅拌和完全不采用搅拌这两种情况有利于双层SDS结构(d=3.4 nm)的形成；而只在加入引发剂时采用搅拌的情况则倾向单层SDS结构(d=1.4 nm)的形成。另外,在中性的ND LLC体系中获得具有部分掺杂的聚苯胺产品,说明聚合过程发生原位掺杂反应,且搅拌充分的反应条件下有利于聚苯胺掺杂程度的提高。在此基础上探索了纳米层状聚苯胺在超级电容器方面的应用。对于反应全程采用搅拌条件下制备的纳米层状聚苯胺,在0.4A/g电流密度下可以获得560 F/g的质量比电容。当电流密度增加至4.0A/g时,聚苯胺的质量比电容为最初(0.4A/g)的86.7%。(3)ND LLC反应环境中,通过钛酸丁酯水解向聚苯胺基底引入无机物种Ti02,最终形成纳米层状TiO2/聚苯胺复合物。引入TiO2后,复合物层间距增加至4.4 nm,且层间距分布加宽。其中,钛酸丁酯水解形成金红石型TiO2,其含量可达36.3%。同时,复合物中的聚苯胺的结晶性有所提高。此外,与各向异性的高浓度ND LLC作为对比,本文还研究利用各向同性的低浓度SDS胶束体系合成聚苯胺及其TiO2/聚苯胺复合物。结果表明,在特定的SDS浓度范围的胶束体系也能合成具有层状结构的聚苯胺及其TiO2/聚苯胺复合物,研究反应条件对产品的影响。