PEDOT类导电聚合物与GO、WO3复合材料的制备及其性能研究

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自从发现聚合物掺杂后可表现出类似于金属的导电性,导电聚合物有巨大的应用前景,引起科研工作者的广泛关注,此类材料研究发展迅速,应用范围广。PEDOT类导电聚合物由于其溶解性好,尺寸小,导电能力可调控范围宽而应用在太阳能电池、超级电容器以及传感器等电性能和光电转换器件。导电聚合物与无机物形成的复合材料,不仅能兼具聚合物和无机物的性质还能利用纳米效应、协同效应或互补作用弥补单一组分的缺陷,进而极大的开拓了复合物的应用领域。论文以PEDOT类导电聚合物为有机物基质,GO、WO3为无机相制备复合材料。通过红外光谱、紫外可见光谱、X-射线粉末衍射、场发射扫描电子显微镜等对聚合物及复合物的结构和形貌进行了表征,恒电流充放电,电化学交流阻抗等方法检测了复合物的电化学性能,循环伏安和计时安培法探讨了复合物的电催化性能。研究内容和结果如下所示:(1)调节氧化剂与单体的摩尔比,通过无模板溶液氧化聚合法制备具有不同结构和性能的PEDOT并通过一系列测试探讨氧化剂含量对PEDOT电化学性能的影响。红外光谱等结构表征说明,当氧化剂与单体的摩尔比为3:1时,PEDOT(3:1)的共轭度和掺杂度较高,且PEDOT的结晶性随着氧化剂的增多而下降。场发射扫描电子显微镜结果表明PEDOT(3:1)有特殊的珊瑚状形貌,随着氧化剂含量的增多,珊瑚状结构增多且紧密堆叠,部分粘连、缠绕在一起最终形成片状。电化学分析说明PEDOT(3:1)的电化学性能较好,比电容为174 F/g,在1 A/g的电流密度下1500圈后电容保持率为74%。(2)采用无模板溶液法制备PEDOT/GO复合材料并将该复合物修饰玻碳电极,探讨其对抗坏血酸的电催化性能。结构表征结果说明成功制备了PEDOT/GO复合物且PEDOT和GO间存在很强的作用力,GO的加入提高了复合物的共轭和氧化程度。FESEM结果表明PEDOT/GO复合物展现出均一的网状结构。电化学阻抗和计时安培结果证明PEDOT/GO/GCE有较小的阻抗,对抗坏血酸的检测有良好的稳定性,高的灵敏度和宽的线性范围。在最佳条件下,灵敏度为47μA/mM,线性范围为10-1000μM。(3)分别采用手工研磨和机械球磨法制备聚3,4-丙撑二氧噻吩(PProDOT)与WO3的系列复合物,并且对聚合物和复合物进行了一系列的结构表征和电化学性能研究。探索了WO3的含量以及不同的合成方法对复合材料的结构以及电化学性能的影响。结果表明,手工研磨和机械球磨法制备的系列复合物的电化学性能均优于相应的纯聚合物。然而,手工研磨法有利于提高PProDOT/WO3复合物的共轭度和氧化程度。其中,手工研磨法制备的PProDOT/15 wt.%WO3复合物的比电容较大,比电容值为267 F/g。(4)通过固相氧化聚合法制备PProDOT/WO3复合物。PProDOT/WO3复合物用来检测IO3-,探究其作为电化学传感器的性能。红外光谱和紫外可见光谱结果表明复合物中PProDOT和WO3之间有较强的相互作用。XRD和EDX结果说明复合物中确实含有WO3且钨元素的含量为42.29%,然而无机相的加入对聚合物的结晶度没有影响。另外,PProDOT/WO3复合物修饰电极对IO3-离子在5-600μM浓度范围内响应的灵敏度为0.079μA/μM,检出限为2μM。(5)采用固相氧化法制备聚3’,4’-丙撑二氧-2,2’:5’,2"-三噻吩/WO3(poly(TPT)/WO3)复合物并进一步分析其电化学性能。其中,WO3的含量为15 wt.%。实验结果表明,由于WO3的加入,poly(TPT)/WO3复合物的共轭链长度和氧化程度大于poly(TPT)。poly(TPT)和poly(TPT)/WO3复合物的比电容分别为170 F/g和282 F/g,表明poly(TPT)/WO3复合物的电化学性能优于poly(TPT)。
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