一種利用超聲輻射製備聚苯胺納米線的方法

2023-05-19 05:12:21

專利名稱：一種利用超聲輻射製備聚苯胺納米線的方法
技術領域：
本發明涉及一種納米材料的製備方法，更具體地說，涉及一種利用超聲輻射製備 聚苯胺納米線的方法。
背景技術：
超聲化學是指利用超聲波加速化學反應提高化學產率的一門學科。利用超聲波， 能夠加速和控制化學反應、提高反應產率、改變反應歷程、改善反應條件以及引發新的化學 反應等。超聲化學主要源於聲空化作用，即利用液體中空腔的形成、振蕩、生長、收縮及崩 潰，從而引發物理和化學變化。液體聲空化過程是集中聲場能量並迅速釋放的過程。空化 泡崩潰時，在極短時間和空化泡的極小空間內，產生5000K以上的高溫和大約5. 05X108Pa 的高壓，速度變化率高達lOlOKs，由此伴隨產生強烈的衝擊波和時速高達400km的微射流， 這為一般條件下難以實現或不能實現的化學反應提供了一種新的非常特殊的物理環境，開 啟了新的化學反應通道。聚苯胺納米棒的合成和潛在的應用受到了廣泛關注。聚苯胺納米棒主要可通過界 面聚合以及模板法來製備。如Kaner等通過界面聚合法，通過抑制聚苯胺納米棒的二次生 長，獲得了直徑在30-50nm的聚苯胺納米棒，並且它們發現摻雜劑的種類和用量會影響所 形成納米棒的形貌和長短。姚興雄等利用陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨在一 定的水溶度下形成的超分子結構為聚合模板，誘導苯胺單體的自組裝和聚合，成功地製備 出了長度和直徑有明顯差異的聚苯胺纖維。張璐等以多孔陽極氧化鋁為模板，利用擴散聚 合法讓苯胺單體溶液和氧化劑溶液在一維納米孔道中相互擴散，在孔內形成聚苯胺納米管 和納米線陣列。但是，無論是界面聚合法還是模板法製備聚苯胺納米棒時，反應過程都比較 繁瑣，並且成本較高，不利於大規模生產。

發明內容
本發明的目的在於提供一種新的製備方法，避免向體系中添加模板劑，製備出摻 雜程度和質子化程度較高的聚苯胺納米線。本發明的一種利用超聲輻射製備聚苯胺納米線的方法，按照下述步驟進行(1)將苯胺滴加入鹽酸中，充分攪拌；(2)向步驟(1)中充分攪拌的體系中，滴加過硫酸銨水溶液，同時充分攪拌並伴隨 超聲輻照，於16_24°C反應6-10小時。所述步驟(1)中苯胺的滴加速度為0. 02-0. 05ml/min。所述步驟(2)中過硫酸銨水溶液的滴加速度為l-3ml/min。所述步驟(2)中的反應溫度為20°C，反應時間為8小時。同機械攪拌法相比，超聲輻照法所合成的HC1摻雜PANI的共軛程度、摻雜程度和 質子化程度較高，其結構規整度和結晶性有所提高，室溫電導率(0. 25S/cm)和熱穩定性有 所提高，具有較好的電容行為和較高的電化學性能。
在圖1中，所有樣品在200°C以內的熱失重主要是由附著在其表面水份的去除和 低分子化合物的揮發所致。機械攪拌下合成的HC1摻雜聚苯胺(圖1曲線1)的熱失重行 為包括200 330°C為去摻雜過程(熱失重26. 44% )和330 800°C為聚苯胺分子骨架 和殘留物的燃燒。超聲輻照法HC1摻雜PANI (圖1曲線2)的熱失重行為與機械攪拌法HC1 摻雜PANI明顯不同，該材料的TGA曲線主要分為三個階段它們分別是200 270°C (熱 失重 7. 71% )，270 500°C (熱失重 13. 60% )和 500 800°C。產生 200 500°C 的熱 失重平緩區的原因在於超聲輻照形成了聚苯胺納米棒，在200 270°C的熱失重主要來自 於納米棒表面聚苯胺的去摻雜過程；由於材料的結構規整度和結晶性較高，發生在納米棒 內部的去摻雜被抑制；只有隨著聚苯胺大分子鏈的緩慢熱降解，去摻雜過程才能逐漸完成。 這導致了該材料在200 500°C出現熱失重平緩區。當溫度進一步升高到500°C後，熱失重 主要是聚苯胺分子骨架和殘留物的燃燒。熱穩定研究表明採用超聲輻照法，不僅能夠得到 結構規整的HC1摻雜PANI納米棒，也能使所製備材料的熱穩定性在200 500°C溫度範圍 內提高。同樣在lOmv/s的掃描速率下，樣品1 (圖2曲線1)的有兩對氧化還原峰(al/cl 和a2/c2)，分別由聚苯胺從還原態到中間氧化態，再由中間氧化態到完全氧化態引起的。在 這兩對氧化還原峰之間還有兩對小的氧化還原峰(bl/dl和b2/d2)，它們是聚苯胺中醌式 結構的轉化引起的。相比之下，樣品2(圖2曲線2)的四對峰(a』 1/c』 l，a』 2/c』 2，b』 1/ d』 l，b』 2/d』 2)都要比樣品1明顯，而且峰電流和峰面積都要比樣品1大，這說明在超聲輻 照條件下合成的HC1摻雜聚苯胺的電性能要好於無超聲條件下合成的摻雜態聚苯胺。


圖1TGA曲線，其中曲線1為無超聲輻照條件下合成的HC1摻雜聚苯胺；曲線2為 超聲輻照條件下合成的HC1摻雜聚苯胺。圖2循環伏安曲線，其中曲線1為無超聲輻照條件下合成的聚苯胺；曲線2為超聲 輻照條件下合成的聚苯胺。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。實施例1將200ml的lmol/1鹽酸(HC1)加入250ml的三口瓶，攪拌30min後，取1ml苯胺 (ANI)，以0. 02ml/min的速度滴加入反應的溶液中。繼續攪拌1小時後，取50ml含有2. 5g 過硫酸銨的溶液，以lml/min的速度滴加到反應溶液中。在持續攪拌下於20°C反應8小時。 在反應的全過程中，伴隨超聲輻照(300W)。反應結束後，經抽慮、分別用稀鹽酸、無水乙醇、 去離子水洗滌和45°C真空乾燥後，得到HC1摻雜PANI納米棒。實施例2將200ml的lmol/1鹽酸(HC1)加入250ml的三口瓶，攪拌30min後，取1ml苯胺 (ANI)，以0. 05ml/min的速度滴加入反應的溶液中。繼續攪拌1小時後，取50ml含有2. 5g 過硫酸銨的溶液，以3ml/min的速度滴加到反應溶液中。在持續攪拌下於24°C反應6小時。 在反應的全過程中，伴隨超聲輻照(300W)。反應結束後，經抽慮、分別用稀鹽酸、無水乙醇、去離子水洗滌和45°C真空乾燥後，得到HC1摻雜PANI納米棒。實施例3將200ml的lmol/1鹽酸(HC1)加入250ml的三口瓶，攪拌30min後，取1ml苯胺 (ANI)，以0. 05ml/min的速度滴加入反應的溶液中。繼續攪拌1小時後，取50ml含有2. 5g 過硫酸銨的溶液，以3ml/min的速度滴加到反應溶液中。在持續攪拌下於16°C反應10小 時。在反應的全過程中，伴隨超聲輻照(300W)。反應結束後，經抽慮、分別用稀鹽酸、無水乙 醇、去離子水洗滌和45°C真空乾燥後，得到HC1摻雜PANI納米棒。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況 下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均 落入本發明的保護範圍。
權利要求
一種利用超聲輻射製備聚苯胺納米線的方法，其特徵在於，按照下述步驟進行(1)將苯胺滴加入鹽酸中，充分攪拌；(2)向步驟(1)中充分攪拌的體系中，滴加過硫酸銨水溶液，同時充分攪拌並伴隨超聲輻照，於16-24℃反應6-10小時。
2.根據權利要求1所述的一種利用超聲輻射製備聚苯胺納米線的方法，其特徵在於， 所述步驟(1)中苯胺的滴加速度為0. 02-0. 05ml/min。
3.根據權利要求1所述的一種利用超聲輻射製備聚苯胺納米線的方法，其特徵在於， 所述步驟(2)中過硫酸銨水溶液的滴加速度為l-3ml/min。
4.根據權利要求1所述的一種利用超聲輻射製備聚苯胺納米線的方法，其特徵在於， 所述步驟(2)中的反應溫度為20°C，反應時間為8小時。
全文摘要
本發明公開了一種製備聚苯胺納米線的方法，先向鹽酸中滴加苯胺，再向其中遞交過硫酸銨，反應過程持續攪拌並伴隨超聲輻照，在16-24℃反應6-10小時。同機械攪拌法相比，超聲輻照法所合成的HCl摻雜PANI的共軛程度、摻雜程度和質子化程度較高。
文檔編號B82B3/00GK101870770SQ20101019342
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月7日 優先權日2010年6月7日
發明者劉利濤, 姚琲, 李軒 申請人:天津大學