聚苯胺的合成与性能研究
——介绍一个化学综合实验
2011-09-26边立君刘晓霞
边立君 刘晓霞
(东北大学化学系 辽宁沈阳 110819)
实验教学是本科教学的重要组成部分,是培养学生实际工作能力和创新思维的重要手段。高年级学生经过基础化学实验阶段的基本训练,已经初步掌握了各门基础课的基础理论和实验操作技能,但还缺乏将各种实验方法及技术融会贯通和综合应用的能力,创新意识和创新能力也不够。化学综合实验以知识、技能、操作的综合运用及新技术、新成果和交叉技术的应用为主要教学内容,能够帮助学生巩固已经掌握的化学实验基本知识与技能,更重要的是可以培养学生的知识综合运用能力、分析问题和解决问题的能力,培养创新思维[1-2]。
导电聚合物是近20年快速发展的新研究领域。导电聚合物的发现,打破了传统的聚合物不导电的观点。在一定条件下,其导电能力可以与金属相媲美,在众多领域都有重要应用潜力[3]。聚苯胺作为导电聚合物家族的重要成员,具有很多优点,如:原料便宜、合成简便、稳定性高、室温导电性可控等。同时,聚苯胺还具备丰富的光、电性能,在化学储能、光电器件、化学传感等诸多领域有应用潜力,受到国内外科学界的广泛关注[4-5]。将聚苯胺的合成及性能研究系列实验引入实验教学,通过“合成—表征—性能研究”的实验过程,不但可以让学生了解科学研究的基本工作思路,还可以培养学生综合运用所学的基础知识和实验技能,设计实验方案,解决实验过程中遇到的实际问题。
1 实验目的
(1) 了解科学研究基本思路;培养学生阅读科技文献的能力及设计实验方案的创新能力。
(2) 掌握化学法及电化学法合成聚苯胺。
(3) 掌握循环伏安法的原理及其应用。
(4) 了解电化学催化和电化学传感的基本研究方法。
(5) 了解气体传感机理及其应用。
2 实验设备
(1) 仪器:磁力搅拌器、四探针测试仪、循环水式多用真空泵、真空烘箱、电化学工作站、数字万用表、粉末压片机。
(2) 试剂:苯胺、过硫酸铵、硫酸、氨水、N,N-二甲基甲酰胺、三氯化锑,盐酸。
3 实验原理
4 实验内容
4.1 准备工作
在开始实验前,要求学生做好以下准备工作:(1) 查阅文献,对聚苯胺的性质有初步了解;(2) 了解聚苯胺的合成方法及基本操作;(3) 了解传感器的原理及应用前景。
4.2 化学法合成聚苯胺
(1) 将50mL过硫酸铵(0.5mol·L-1)滴加到装有苯胺(0.4mol·L-1)和硫酸(1.0mol·L-1)溶液的圆底烧瓶中,磁力搅拌,冰水浴控温。反应3h后,停止搅拌。抽滤,用稀硫酸、丙酮洗涤滤饼3次,以除去未反应的有机物和低聚物,然后用大量去离子水洗至滤液为pH=6左右。在80℃真空干燥至恒重,研磨成粉末,得到掺杂态聚苯胺。
(2) 取少量掺杂态聚苯胺,于1mol·L-1氨水中进行反掺杂,抽滤、干燥后得到本征态聚苯胺。
(3) 采用四探针测试仪,分别测量掺杂态聚苯胺及本征态聚苯胺的电阻率。
4.3 聚苯胺电化学活性测试
4.3.1 电化学法制备聚苯胺及电化学性能测试
(1) 以0.1mol·L-1苯胺、0.5mol·L-1硫酸溶液为电解液,以铂电极分别作为工作电极和辅助电极,饱和甘汞为参比电极,采用电化学法制备聚苯胺,实验参数由学生自行设计。
(2) 在0.5mol·L-1硫酸溶液中,采用循环伏安法测试上述聚苯胺的电化学活性,由学生自行设计电化学参数。
4.3.2 化学法制备的聚苯胺的电化学性能测试
(1) 聚苯胺修饰电极的制备:称取0.05g本征态聚苯胺粉末,溶解于10mL DMF中,将铂丝置于DMF溶液中,提拉成膜,然后放入快速红外烘箱烘干。
(2) 对上述聚苯胺修饰电极进行电化学活性测试,由学生自行设计电化学参数。
4.4 电化学催化性能测试
(1) 考察Sb(Ⅲ)/Sb(Ⅴ)的氧化还原峰电流大小及峰电位:在含有HCl与SbCl3的溶液中进行循环伏安扫描(3mol·L-1HCl,2.5×10-3mol·L-1SbCl3),扫描电位范围为0~0.8V,扫描速度为0.05V·s-1。
(2) 电化学法制备聚苯胺:同步骤4.3.1中(1)。
(3) 聚苯胺电化学活性测试:在3mol·L-1盐酸溶液中进行循环伏安扫描,扫描电位范围为0~0.8V,扫描速度0.05V·s-1。
(4) 聚苯胺对Sb(Ⅲ)的催化氧化性能测试:在不同浓度SbCl3(2.5×10-3、5×10-3、7.5×10-3、1×10-3、1.25×10-2mol·L-1)溶液中进行循环伏安扫描。扫描电位范围为0~0.8V,扫描速度0.05V·s-1。
4.5 聚苯胺气敏性能测试
(1) 将化学法制备的聚苯胺滴涂到印刷碳电极表面,烘干后,将碳电极安装到气敏测试装置上进行测试。
(2) 调节气敏测试装置上的三通活塞,使载气N2通过检测室,待电阻值稳定后,调节活塞,使载气通过盛有氨气的广口瓶进入检测室,记录电阻值变化情况,反复测量3次。
4.6 数据记录与结果讨论
(1) 记录不同掺杂程度聚苯胺的电导率,讨论聚苯胺导电性与掺杂程度的关系。
(2) 记录并分析两种方法制备的聚苯胺的循环伏安性能,确定氧化电位和还原电位,分析聚苯胺的电化学行为,并对两种方法制备的聚苯胺的电化学性能进行对比。
(3) 记录铂电极、聚苯胺修饰电极分别在空白溶液和含有Sb3+的溶液中的循环伏安曲线,确定氧化电位及氧化峰电流,分析聚苯胺对Sb3+电化学氧化的催化作用。记录聚苯胺修饰电极在含有不同浓度Sb3+的溶液中的循环伏安曲线,分析催化电流与Sb3+浓度间的关系。
(4) 记录聚苯胺电阻随时间变化曲线,分析聚苯胺对氨气响应的可逆性及聚苯胺对氨气的响应机理。
4.7 思考题
提出以下问题供学生参考:
(1) 化学法制备聚苯胺时,如果将苯胺滴加到过硫酸铵溶液中,将会出现的结果。
(2) 试提出苯胺聚合的可能机理。
(3) 决定聚苯胺导电性的因素。
(4) 影响聚苯胺对氨气响应的因素。
[1] 廖德仲,何节玉,毛立新,等.大学化学,2006,21(5):47
[2] 王伯康,王志林,孙尔康.大学化学,2001,16(2):25
[3] MacDiarmid A G.AngewChemIntEd,2001,40:2581
[4] Li D,Huang J,Kaner R.AccChemRes,2009,42(1):135
[5] Zhang L,Dong S.JElectroanalChem,2004,568:189
[6] Oyama N,Ohnuki Y,Chiba K,etal.ChemLett,1983,1759
[8] Gao Y,Yao S,Gong J.MacromolRapidCommun,2007,28(3):286