微米级高导向PEDOT膜与PEDOT/α-ZrP复合膜的制备与应用

摘要

聚（3，4-乙烯二氧噻吩）(PEDOT)是一种在电化学超级电容器领域中具有广阔应用前景的导电聚合物，但PEDOT比电容的大小受限于其不规则的球状或链状结构。事实上，超级电容的比电容值与活性物质和支持电解质二者接触界面的微观结构有关，因此制备高比表面积的微米级多孔膜是超级电容器的研究热点。本文在水溶液中通过单极脉冲法制备出沿b轴排布的高导向PEDOT纳米晶型结构薄膜。通过电化学石英晶体微量天平
　　(EQCM)实时监测制膜过程中的质量变化，归纳出在该聚合方法下PEDOT间歇性的生长机理:EDOT先成核形成纳米短棒结构的低聚物，再在短棒上形成新的分支，最终大量的分支结构交叉形成纳米级海绵树突状网络结构。本文重点研究了PEDOT超级电容膜材料的微观结构与其性质的关系。采用X射线衍射仪(XRD)分析单极脉冲法及恒电位法制备的PEDOT膜材料的晶型结构;通过扫描电镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)分析比较两种方法制备的PEDOT膜的表面形貌及化学组成;在0.3 MHClO4，0.1MNaClO4的水溶液中进行EQCM循环伏安(CV)测试、恒电流充电/放电试验(CIF)和电化学阻抗测试(EIS)等电化学性能测试。实验结果表明，相比于恒电位方法，采用UPEP方法制备的PEDOT膜具有更高的比电容值（239.1 F·g-1）和更好的循环稳定性。
　　有机/无机复合电活性材料凭借其出色的电活性、电催化性能及兼容性获得了人们的广泛关注。本文考察了无机层状材料α-磷酸锆的不同制备方法对其物理化学性质的影响。研究表明，回流法制备的α-磷酸锆比水热法制备的α-磷酸锆更容易剥层且具有更好润湿性能。因此，本文采用回流法制备α-磷酸锆，并通过单极脉冲方法(UPEP)将其与EDOT一步共聚制备聚（3，4-乙烯二氧噻吩）/α-磷酸锆（PEDOT/α-ZrP）纳米复合材料。对该复合材料进行一系列电化学测试。研究表明，PEDOT/α-ZrP纳米复合材料的最佳制备条件为:用回流法制备的α-ZrP与0.01 M EDOT配制的制膜液在1.1V、占空比ton/toff=(0.1 s/1.0 s)条件下通过单极脉冲法制备。通过X射线衍射(XRD)分析表明复合膜的结构为导向性聚合物PEDOT包覆在无机化合物表面。将PEDOT/α-ZrP膜材料在不同浓度配比的Pb2+、Cd2+离子混合检测液中进行循环伏安测试。结果表明，PEDOT/α-ZrP膜材料对Pb2+离子有良好的离子选择性。此结果主要是依赖于在α-ZrP外包裹的高导向PEDOT特定的8.04(A)晶格间距特性，水合离子半径小的Pb2+离子更易进入膜内，从分子尺度上达到了对目标离子的准确快速的选择性吸附目的。

目录

声明

摘要

英文摘要

第一章 文献综述

1．1 导电聚合物

1．1．1 导电聚合物概述

1．1．2 导电聚合物的掺杂机理

1．1．3 导电聚合物的合成与应用

1．2 聚噻吩类导电高分子聚合物

1．2．1 聚噻吩及其衍生物的聚合方法

1．2．2 聚噻吩及其衍生物的应用

1．2．3 聚噻吩类衍生物在超级电容方面的应用

1．3 重金属离子污染现状与治理

1．3．1 重金属离子污染现状

1．3．2 重金属离子的处理方法

1．4 无机金属磷酸盐

1．4．1 α-ZrP的结构

1．4．2 α-ZrP的制备方法

1．4．3 α-ZrP性质及应用

1．4．4 无机层状磷酸盐的水解反应

1．5 电化学控制离子交换(ESIX)

1．5．1 电化学控制离子交换(ESIX)机理与特点

1．5．2 ESIX处理重金属废水的应用

1．6 课题研究意义及主要工作

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容和方法

第二章 实验部分

2．1 试剂与仪器

2．2 实验条件

2．3 分析测试方法

2．3．1 循环伏安法(CV)

2．3．2 恒电流充放电

2．3．3 电化学阻抗测试

2．3．4 电化学石英晶体微天平(EQCM)

2．3．5 X射线衍射仪(XRD)分析

2．3．6 傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)分析

2．3．7 表观摩尔质量的计算

2．3．8 分离因子的计算

第三章 单极脉冲法可控合成海绵结构PEDOT膜电极的超级电容性能

3．1 引言

3．2　实验部分

3．2．1 电极预处理

3．2．2 PEDOT膜电极的制备及性能实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 EDOT单体最优浓度的选择

3．3．2 检测液最优配比的选择

3．3．3 电化学聚合过程及其聚合机理

3．3．4 PEDOT膜材料的表面形貌

3．3．5 PEDOT膜材料的化学组成

3．3．6 PEDOT膜材料XRD谱图分析

3．3．7 从EQCM角度对PEDOT膜材料进行电化学行为分析

3．3．8 恒电流充放电及稳定性测试

3．3．9 电化学阻抗测试及等效电路图

3．4 小结

第四章 PEDOT／α-ZrP复合材料及其在铅镉废水中选择性离子交换性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 电极预处理

4．2．2 α-ZrP及PEDOT／α-ZrP膜电极的制备与性能实验

4．2．3 杂化膜形貌和电化学表征

4．3 结果与讨论

4．3．1　不同电沉积方法对PEDOT／α-ZrP复合膜电化学性能的影响

4．3．2 单体EDOT浓度对PEDOT/α-ZrP复合材料循环伏安性能的影响

4．3．3 单一ZrP及PEDOT／α-ZrP复合膜的接触角测试

4．3．4 脉冲宽度对PEDOT／α-ZrP复合材料循环伏安性能的影响

4．3．5 复合膜的电化学离子交换性能

4．3．6 PEDOT／α-Zrp复合膜的选择性测试

4．3．7 ZrP单一膜与PEDOT/α-ZrP复合膜的表观形貌

4．3．8 XRD与聚合机理

4．4 小结

第五章 结论、创新点及展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文