吡咯—噻吩共聚物的合成及其在磁分离和超级电容器中的应用

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导电聚合物(聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺及其共聚物等)作为合成方法简单、环境友好、性能优良的新型功能材料,在电化学、吸附、催化、传感器、电致色变方面获得广泛应用,并引起了科研工作者的广泛关注。本论文首先采用改进的芬顿试剂作为氧化剂,在水溶液中利用化学氧化聚合(COP)方法制备具有多级核–壳式结构的磁性纳米复合材料四氧化三铁/二氧化硅/吡咯–噻吩共聚物(Fe3O4/SiO2/cPPyTh),并将其作为吸附剂应用于类铜精矿溶液中金(III)离子吸附–还原的研究。研究结果表明:1.在水溶液中,利用改进的芬顿试剂成功地在Fe3O4/SiO2表面形成吡咯–噻吩共聚物。cPPyTh共聚物的形成可由理论计算进行推导,并通过X-射线光电子能谱,傅立叶变换红外光谱,循环伏安测试进行证明。制备的多级核–壳式磁性纳米复合材料Fe3O4/SiO2/cPPyTh具有超顺磁性、可控N/S比、N,S共存表面和耐酸性强的优势。2.Fe3O4/SiO2/cPPyTh吸附剂对Au(III)离子回收表现出良好吸附性能。在室温下,5 min内Fe3O4/Si O2/cPPyTh吸附剂对Au(III)的吸附量迅速增加到559.7mg/g,最终平衡吸附容量达到845.9 mg/g。3.Fe3O4/SiO2/cPPyTh吸附剂具有良好的重复利用性能。Fe3O4/SiO2/cPPyTh吸附剂连续循环使用五次以后,对Au(III)的吸附/脱附率仍然能保持在93.3%/92.3%。相对于干扰离子,Fe3O4/SiO2/cPPyTh吸附剂对Au(III)表现出优异的选择性。因此,此吸附剂将成为从铜精矿溶液中回收金离子的具有前景的吸附剂之一。4.Fe3O4/SiO2/cPPyTh吸附剂优异的吸附行为主要归因于:(1)通过吸附–还原机制的研究,相对于单一聚合物(聚吡咯、聚噻吩),cPPyTh具有较高的最低未占分子轨道,这有利于Au(III)在吸附剂表面的吸附-还原;(2)Fe3O4/SiO2/cPPyTh吸附剂中,吡咯环相对于噻吩环具有低的氧化电位,但杂环中S相对于N对Au(III)具有更高的亲和力,因此,吡咯-噻吩共聚两者能起到协同作用。在此基础上,采用原位聚合方法,以打印纸和滤纸为基底原位生长吡咯–噻吩共聚物进行复合导电纸的制备,并将复合导电纸作为导线点亮LED灯泡以及组装成对称式全固态柔性超级电容器进行电化学性能的研究。对制备的吡咯–噻吩共聚物复合导电纸进行了XRD、FT–IR、SEM、电导率等表征,对其组装成的对称式全固态柔性超级电容器进行了循环伏安测试、恒电流充放电测试、交流阻抗测试。研究结果表明:1.通过对纸基电极进行了FT–IR、SEM、四探针电导率测试,说明吡咯-噻吩共聚的导电聚合物成功地生长在纸基电极上。2.以制备的复合导电纸Paper/cPPyTh为导线,能点亮LED灯泡。3.将制备的Filter Paper/cPPyTh电极组装成柔性超级电容器。恒电流充放电测试中,在电流密度为0.1、0.2、0.5、1、5 m A/cm2的电流密度下,材料的比表面比容量分别为46.63、22.75、20.63、9.13、1.90 mF/cm2。随着电流密度的不断增大,对称式柔性超级电容器的比表面比容量衰减比较严重。
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