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石墨烯掺杂聚苯胺导电复合材料的研究进展

2022-06-18 来源:小侦探旅游网
第41卷,第11期 2013年11月 工程塑料应用 N o1 . 107 ENGINEERING PLASTICS APPLICATION 。doi:lO.3969/j.issn.1001-3539.2013.11.025 石墨烯掺杂聚苯胺导电复合材料的研究进展 何小芳 ,何元杰 ,王旭华 ,黄丽娜 ,王优 ,曹新鑫 【1.河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作454000;2.中国兵器工业集团第五三研究所,济南250031;3.环境友好型无机材料河 南省高校(河南省)重点实验室培育基地,河南焦作45 ̄0001 摘要:主要分析原位聚合法、间接化学聚合法和阳极电位聚合法等不同石墨烯掺杂方法对石墨烯掺杂聚苯胺复 合材料性能的影响,同时探讨了异丙醇溶液、酸和碱等不同环境中复合材料的导电特性,并综述了不同含量、形状及 氧化或磺化处理的石墨烯掺杂聚苯胺复合材料。最后对石墨烯掺杂聚苯胺导电性研究的发展进行展望。 关键词:石墨烯;聚苯胺;掺杂;导电性 中图分类号:0633 文献标识码:A 文章编号:1001-3539(2013)11—0107—04 Research Progresses in Conductive Properties of Graphene Doping Polyanilene Composite HeXiaofang ,HeYuanjie ,WangXuhua ,HuangLina ,WangYou ,CaoXinxin , (1.School ofMaterial Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.CNGC Institute 53,Jinan 250031, China;3.Cultivating Base for Key Laboratory ofEnvironment—friendly Inorganic Materials in Universiy tofHenan Province,Jiaozuo 454000,China) Abstract:The influences of the various graphene droping ways,which include in-situ polymerization,chemical indirect polymerization and andoe potential polymerization on the prope ̄ies of the graphene doping polyaniline composite were introduced. The electrical conductivity of the composite in different environment was discussed,for example,isopropanol solution,acid and alkali.Then all kinds of graphenes doping polyaniline,such as content,shape,and oxidation or sulonated were freviewed.Finally, the development direction of the composite was also prospected. Keywords:graphene;polyaniline;dope;conductiviy t1977年,艾伦・黑格,艾伦・詹尼弗和白川英树将高导 电性碘与聚乙炔掺杂并获得巨大成功。此后,人们对导电聚 合物领域有了极大兴趣…。2004年人们对石墨烯产生了研 究兴趣,它是一种密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子 组成的二维晶体碳材料【2],具有良好的导电性,超大的比表 面积等性质口】。制备石墨烯的方法主要有改进的Hummer 法[41,微机械剥离法[51、化学气相沉积法[61、氧化还原法、溶 剂剥离法和溶剂热法等。聚苯胺(PANI)是一种重要的导电 聚合物,具有成本低 、易于合成嘲、良好的环境稳定性等特 点 】,表现出巨大的应用前景。目前,导电PANI存在加工性 能差、使用温度范围窄、导电率较低等问题[10]o在石墨烯掺 杂PANI这种新型纳米复合材料中,PANI以非共价键形式 (1r一竹相互作用)修饰在石墨烯上fl”。这样不仅保持了石 墨烯的本征结构,同时还避免了石墨烯的团聚,因而石墨烯 能够有效地分散在PANI中,复合材料获得了优异的电学性 能[12]0笔者主要阐述了石墨烯掺杂PANI导电性影响因素 到100 S/cm口 。PANI是一种导电率较高的导电聚合物,经 酸掺杂后,电导率可达到3.23 s/cm『1 。将这两种导电性极 佳的物质掺杂得到的石墨烯掺杂PANI复合材料也有极佳 的导电特性。 1.1石墨烯不同方法掺杂PANI复合材料的导电性 石墨烯掺杂PANI的方法有多种,常见的有原位聚合 法、间接化学聚合法、阳极电位聚合法等。原位化学聚合法【1 是通过直接氧化石墨和苯胺单体合成制备石墨烯掺杂PANI 复合材料。间接化学聚合法 卅是先用苯胺单体制得PANI, 再与石墨烯杂化。阳极电位聚合法 是指以恒电位法将工 作电极中的石墨烯与酸性电解液中的苯胺单体原位聚合。 用这些不同的方法制得的复合物的性质有所差别。 王宏智等“踟用改进的Hummers法制备氧化石墨烯 (G0),经超声分散后与苯胺混合滴涂在ITO导电玻璃上,然 后采用三电极体系,在电化学工作站利用循环伏安(cv)法 河南省高校科技创新团队支持计划项目(2012IRTSTHN007) 河南理工大学博士基金项目(B2013—010) , 的研究进展与应用,并对其发展趋势进行了展望。 1石墨烯掺杂PANI导电特性 电化学方法制得的石墨烯导电性能优异,电导率可达 联系人:何小芳,副教授,从事功能材料改性研究工作 收稿日期:2013-08—22 108 工程塑料应用 2013年,第4l卷,第11期 制得石墨烯掺杂PANI复合材料。经测试,在硫酸溶液中,石 墨烯质量分数为12.5%的石墨烯掺杂PANI复合材料电阻 为4 Q。因为复合材料中PANI的掺杂程度很高,PANI的 导电性随它的掺杂程度升高而增大,所以石墨烯掺杂PANI 复合材料具备良好的导电性。 袁冰清等 在无水乙醇中,将直流电弧放电法制备的 高结晶性石墨烯通过原位聚合法与PANI掺杂制得石墨烯 掺杂PANI复合材料。通过测试发现,随着石墨烯掺杂量的 增加,复合材料电导率增大,当复合材料中石墨烯质量分数 达25%时,电导率为19.4 S/cm,且此时总屏蔽效能在电导 率所考察频率范围(2~18 GHz)内达到34-2 dB,达到商业 要求。 Yan Jun等口伽通过原位聚合法合成PANI/石墨烯纳 米片(GNS)/碳纳米管复合材料。发现掺杂碳纳米管后, 以GNS为支撑材料的PANI均匀地附聚在碳纳米管表面, 碳纳米管成为GNS和PANI之间的导电线,这种结构将进 一步提高复合材料的导电性,实验测得复合材料表面电阻为 1.48 Q。用频率为100 kHz至0.1 Hz,5 mV交流的开路电 位测试复合材料,1 000个周期后表面电阻增长到1.66 Q。 说明其具有良好的导电性和循环稳定性。 范艳煌等_2”用超声辅助Hummers法制得1啪厚的 GO,再将其与苯胺在略高于室温的酸性水溶液中反应,苯胺 被GO中含氧基团氧化并聚合,而GO被还原,生成PANI/ GO导电复合材料。实验发现,当苯胺为1 mL,GO为0.1 g 时,复合材料的导电性最好,电导率约为10 s/cm。 1.2不同石墨烯掺杂PANI复合材料的导电性 石墨烯经过氧化或其它反应(例如磺化_2 ,羧基功能 化等 )后导电性会发生改变。石墨烯导电性的改变会引 起石墨烯掺杂PANI复合材料导电性改变。这些改变大多 都与石墨烯的变化相对应,说明复合材料导电性主要由石墨 烯提供。 Wang Hualan等[2 用不同比例的异丙醇与水混合溶 液制备石墨烯掺杂PANI复合材料和脱氧PANI/石墨烯复 合材料fGOPM),再用四探针测试复合材料的电导率,复合 材料的电导率在0~0.7 S/cm之间,当混合溶剂中异丙醇体 积分数小于50%时,还原后复合材料的电导率高于还原前, GOPM的电阻率为0.18 S/cm,石墨烯掺杂PANI复合材料 的电阻率为0.09 s/cm;当异丙醇体积分数大于50%时结 果正好相反,此时,GOPM的电导率为0.1 S/cm,石墨烯掺 杂PANI复合材料的电导率为0.68 s/cm。 Liu Ling等 通过原位聚合法分别制作质量比为 90:10(PANI ̄GO10)和60:40(PANI-GO40)石墨烯掺杂 PANI复合材料,发现当石墨烯的比例越大复合材料电阻越 低,其中PANI ̄GO40仅为PANI-GO10电阻的1/2。Du Yong等 分别将PANI,GNS溶解于N-甲基吡咯烷酮(NMP) 中,超声处理后过滤掉不溶物。两种溶液以PANI与GNS 质量比分别为4:1,3:1,2:1和1:1混合,超声处理, NI/ GNS混合溶液在玻璃基板上浇铸和干燥制膜,制得膜的厚 度为2 5 m。通过实验发现,当复合材料中PANI与石墨 烯的质量比由4:1变为1:1时,材料中GNS之间载流子迁 移率发生明显提高,达到259.6 cm。/vs,从而使其电导率由 80 S/cm变为14 S/cm。 Dong Xiaochen等口 通过化学气相法使石墨烯在泡沫 镍上沉积为三维(3D)状,再在酸性条件下,将苯胺单体聚合 在泡沫石墨烯上,形成了石墨烯掺杂PANI复合材料。相对 于二维石墨烯掺杂PANI复合材料,三维泡沫结构质轻,价 格低廉。并且,泡沫状的石墨烯可以提供更好的导电网络, 复合材料的导电性有明显提高,其表面电阻为4 Q。 1.3不同环境中石墨烯掺杂PANI复合材料的导电性 石墨烯掺杂PANI复合材料主要用作电极材料,而电极 需要在有机溶液、酸、碱等不同环境下使用 ,所以研究复 合材料在不同的环境下导电性差别十分重要。近几年,研究 复合材料的环境集中于有机环境、酸、碱3个方面,且效果明 显。 田姣等口 用化学原位聚合法在水系中分别以异丙醇 (质量分数为50%,66.6%,75%,80%)溶剂,原位合成GO掺 杂PANI复合材料,研究溶剂中异丙醇含量变化对材料性能 的影响。用四探针测试仪测量材料的电导率,结果显示制得 的所有复合材料的电导率均在1.5~5 s/cm之间,对复合材 料做电流密度为0.2 A/g的恒电流充放电测试,当异丙醇质 量分数为75%时,其比功率和能量密度最大,最适合做电极 材料。 Zhang Kai等【3伽在酸性环境下,将质量比为90:10的 GO与PANI纳米纤维通过原位聚合法合成GO掺杂PANI 纳米复合材料。经测试,GO掺杂PANI纳米复合材料均匀 沉积在石墨烯表面或填充在石墨烯之间,这种统一的结构使 复合材料的电导率达到2.31 s/cm,比电容达到480 F/g。 高电导率和比电容使得复合材料在电池电极方面有很广的 应用。 Luo Jing等p”研究了一种新型的,更易分散的水分散 性石墨烯掺杂PANI复合材料,该材料是通过原位聚合法将 PANI涂在被聚4.苯乙烯磺酸(PSS)包裹的石墨烯表面上。 得到的复合材料易分散在水中且在中性和碱性水溶液中有 很好的导电性f4.5 S/cm)。当在磷酸缓冲液(浓度:0.1 mol/ L)中进行100 mv/S循环电位扫描时,500个周期后,峰值 电流保持其初始的90%,说明其有稳定的电化学性质。将酸 何小芳,等:石墨烯掺杂聚苯胺导电复合材料的研究进展 109 环境与碱环境对比,发现碱性更有助于复合材料导电。 1.4掺加其它物质的复合材料的导电性 在石墨烯掺杂PANI复合材料中还可能加入其它物质 复合,并且这些物质的加入可能影响复合材料的导电特性。 加入的其它物质可以分为无机和有机两种,无机物中一般加 入的是SnGl: 、钯 、铂 等,有机物一般加入的是聚氯乙 烯(pvc)、十二烷基苯磺酸p 、PSS等。 韦莹等口印采用改进的Hummer法制备GO,用原位聚 合法合成了PANI/SnO /GO复合物。交流阻抗实验测试 发现,在低频段,PANI有扩散电阻,但掺杂SnO,和GO后, 发现PANI/SnO2和PANI/SnO2/GO复合物几乎没有扩 散电阻,说明复合SnO 和GO后提高了电解液与电极材料 间的电荷转移能力;在高频段,测得PANI电荷转移电阻为 l2 Q、复合SnO:后电荷转移电阻提高到60 n,掺杂SnO 和GO后复合材料的电荷转移电阻降低到10 n,扩散电阻 的变化说明掺杂SnO,增加了电极的阻抗,而掺杂GO增加 了电极的导电性。 Ma Fei ̄i等口’ 将苯胺单体与GO通过原位聚合法合 成PANI/GO复合材料,然后,将PVC通过溶液共混来改性 复合材料。经过测试发现,GO平面和聚苯胺链的有效界面 之间的相互作用减少,苯胺单体原位聚合在GO平面形成了 导电网络结构,共混PANI(7%)/GO(4%)复合材料后,PVC 的导电性能显著提高,电导率由7.4×10 S/cm增长到 7.20×10-2 S/cm。 N.T.Tung等口踟通过原位聚合法将苯胺单体、PSS和石 墨烯合成PANI/Pss.石墨烯纳米复合材料。实验结果发现, PSS.GNS无序结构完全破坏,通过PSS.石墨烯的环氧基团 和PANI芳香环之间的氢键作用,单个PSS.石墨烯和堆叠 PSS一石墨烯均分散在聚苯胺基体中。通过与质量分数为5% 的PSS一石墨烯复合后,PANI电导率由0.84 s/cm提高到 4.96 S/cm。此外PANI/PSS.石墨烯纳米复合材料的热稳 定性也明显得到改善,耐热温度从纯PANI的360℃提高到 460oC。 靳瑜等 对碳纳米管纸进行循环伏安电化学氧化处 理,然后以处理后的碳纳米管纸(CV ̄CNT)为基体,采用电 化学聚合沉积PANI,再吸附石墨烯,制得外层为石黑烯、内 层为PANI包裹CNT形成网络骨架的具有三明治夹心结构 的PANI/碳纳米管/石墨烯(PANI/CV-CNT/石墨烯)复 合纳米碳纸,在大量的碳纳米管纸间的空隙形成大孔区域。 这样的结构充分发挥CV-CNT导电网络及大孔隙的优势, 并且石墨烯对PANI形成固定保护作用,使复合材料拥有 高导电性和高比电容,PANI/CNT/石墨烯的溶液电阻为 1.5 Q,电荷转移电阻为7.1 Q,比电容高达672.5 F/g。 Cong Huaiping等 以石墨烯纸为基体将苯胺聚合合 成石墨烯掺杂PANI复合材料,再在复合材料加入粘合剂(聚 四氟乙烯)制得电极。通过实验测试,石墨烯掺杂PANI复 合材料的溶液电阻为4.1 Q,石墨烯掺杂PANI复合材料在 做电极时需要在粉末状的复合材料中加聚四氟乙烯等粘合 剂,这些粘合剂大部分都会导致复合材料的导电性降低。 2结语 石墨烯掺杂PANI复合材料是一种良好的导电复合材 料。近几年,对该复合材料的导电性的影响因素有复合材料 中石墨烯的不同、制备的方法的不同,所处环境的不同和加 入其它物质4个方面。在不同石墨烯、制备方法和加入其它 物质这3方面,如何改进复合材料导电性的研究很多且效果 明显,但在所处环境的不同方面的研究很少。因为该复合材 料主要应用于电池电极,所以需加入一些粘合剂,这些粘合 剂会降低石墨烯掺杂PANI的电导率。但是在如何降低粘 合剂的影响方面的研究也很少。 未来石墨烯掺杂PANI复合材料的研究主要集中在以 下几个方面:(1)由于复合材料在电极方面应用很广,需要研 究其在不同环境下的导电性差别,并且由于电池电极大多在 碱性环境下,未来要重点关注在碱性环境中的影响;(2)由于 复合材料在制作电极时,需要加入粘合剂,未来要将苯胺掺 加的粘合剂对石墨烯掺杂PANI复合材料导电性影响方面 进行重点研究。 参考文献 ill Ansari M O,et a1.Chemistry ofMaterials,2012,47:155-161. 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