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Nano-Hybrid材料的制备聚苯胺/ Peg /氧化锌通过基于仿生的方法

辛格P和辛格RA*

理学院化学系,贝拿勒斯印度教大学、印度

*通讯作者:
辛格RA
化学系
贝拿勒斯印度教大学理学院
印度
电话:+ 91 542 2369332
电子邮件: (电子邮件保护)

收到日期:12/17/2018接受日期:03/14/2019发表日期:03/21/2019

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文摘

聚苯胺及其复合材料与挂钩,氧化锌已经准备通过仿生方法。这些聚合物(挂钩)的存在阻碍了大颗粒的增长由于扩散限制的过程。从聚苯胺粒径减少(60.3海里)> PAni-PEG(42.7海里)聚苯胺-氧化锌(34.5 nm) > > PAni-PEG-ZnO(16.1海里)。这些材料已经以红外光谱、紫外可见、XRD、SEM、TGA和交流阻抗谱技术。交流阻抗测量的数据是模拟使用主办拟合软件三分赫兹到1011赫兹频率范围的最佳分辨率使用等效电路的参数。发现在交流阻抗谱有明显不同,相应的等效电路元素和弛豫时间取决于纳米材料的粒径。

介绍

聚苯胺已被广泛的研究,近年来由于许多优点超过其他导电聚合物如低成本、易合成、各种电气导率和独特的可逆质子doping-dedoping过程在这些材料。这是最具吸引力的导电聚合物由于聚合物链的存在活性NH-group [1- - - - - -4]。半导体氧化锌(氧化锌)吸引了大量关注,由于其独特的属性,如直接宽带隙(3.37 eV)和大型激动人心的结合能(60 meV)在室温下(5]。导电聚苯胺纳米复合材料的合成和表征含氧化锌纳米棒的报道(6]。它是由苯胺在酸性介质的化学氧化方法peroxydisulphate铵(APS)作为氧化剂。化学蒸汽electrospum传感性质的纳米纤维聚苯胺/氧化锌纳米复合材料(早些时候报道7]。氧化锌纳米颗粒被简单的溶胶-凝胶方法合成纳米纤维聚苯胺和聚苯胺/氧化锌纳米复合材料通过电纺的技术准备。聚苯胺/氧化锌纳米复合材料是由共聚方法(8]。发现复合材料的导电性与最高20%重量的氧化锌被发现在所有其他复合材料甚至超过聚苯胺。氧化锌粒径对交流的影响电气性能的聚苯胺-氧化锌复合材料报告(9]。交流电导率测量表明,复合材料的电导率发生通过氧化锌的电子电荷载体。这些研究促使我们准备和描述聚苯胺纳米复合材料的仿生合成方法是有用的在控制的大小粒子由于扩散限制增长。目前工作的另一个目的是研究合成条件和粒度的影响在这些材料的交流阻抗谱。样本以TEM、SEM、XRD、TGA、ir、紫外可见和交流阻抗光谱。这不仅会帮助还在准备材料所需的属性,在测试这种技术的适用性研究无机/有机纳米复合材料。

材料和方法

苯胺(默克,境年级)蒸馏前使用。从默克公司氧化锌,聚乙二醇(珞巴化工、境级)和酸(盐酸)BDH被用作收到。三重蒸馏水从石英获得双重蒸馏单元用于合成。peroxodisulphate铵(默克公司)作为收到。

合成

聚苯胺是合成了IUPAC协议(10]。聚苯胺/聚苯胺/挂钩和氧化锌合成通过标准程序的方法(6,11- - - - - -13]。

合成的聚苯胺/ /氧化锌复合材料挂钩

5毫升苯胺在100毫升盐酸补充道。在这2.0 g挂钩溶解在50毫升水是补充道。在这个解决方案中,氧化锌0.25 g是补充道。最终的解决方案是搅拌大约5分钟。14.0 g APS溶解在100毫升水慢慢增加了大约半个小时,连续搅拌。蓝绿的解决方案。反应是0-50C之间完成的。解决方案是过滤,用蒸馏水洗了三次。沉淀是在烤箱60°C,然后干燥无水氯化钙。(g)的收益率PAni-PEG-ZnO复合材料:3.8 g。

测量

这些材料的红外光谱在KBr介质的范围450 - 4000厘米1瓦里安3100红外Encalibur系列。紫外可见光谱是由使用uv - 1700年制药公司。规范。Simadzu corp . nujol介质在300 - 1000海里。粉末x射线衍射的聚苯胺,聚乙二醇和氧化锌复合材料进行分析使用Rigaku(模型-无线电侦察- 2000;日本)使用铜Kα辐射x射线衍射仪(1.542×10-10年米)在2θ范围5-60°。扫描电子显微镜研究了使用剑桥440年徕卡显微镜。交流电导(G)、电容(C)和阻力(R)不同的样本以40赫兹到100赫兹的范围使用LCZ米(吉时利、模型- 3330)。L C的基本精度Z计用于我们的测量阻抗的0.1%的范围0.1 mΩ19.999 mΩ;功放的0.001 pF 199.99 mF和电导在0.001μS 199.99 s测量数据模拟使用主办(复杂的非线性最小二乘拟合)软件的范围103-10年11赫兹确定等效电路。弛豫时间评估产品的R和C从等效电路分析获得。

结果与讨论

PAni-PEG-ZnO涉及控制增长的仿生合成的材料的水溶性有机聚合物矩阵,(挂钩)。聚乙二醇溶液中盐酸苯胺是分布均匀的铵peroxodisulphate慢慢增加了。聚乙二醇线程阻碍大颗粒的生长。三重混合材料准备通过添加氧化锌在盐酸苯胺和聚乙二醇APS慢慢增加了。仿生方法从而确保不同组件的扩散限制增长分别进行比较的结果(11- - - - - -13]。

紫外可见光谱

电子光谱聚苯胺及其复合材料已在nujol介质在300到1000纳米的范围。聚苯胺(本体聚合),峰值在380 nm和425 nm归因于π-π*和激子的转换。峰值周围825海里是由于极化子的形成。的电子光谱PAni复合氧化锌乐队在383 nm和430 nmπ-π*和激子的过渡和乐队在807纳米是由于极化子过渡。电子光谱的PAni /钉/氧化锌,电子乐队在344 nm和441 nm)由于π-π*和激子带过渡。然而,乐队在796 nm由于获得了极化子过渡。观察这些光谱的PAni复合材料金属氧化物(氧化锌),很明显,紫外/可见吸收光谱的形状及其位置λ马克斯在氧化锌的存在显著影响,表明聚合发生在氧化锌的表面有一些互动PAni和金属氧化物。没有白色的彩色粒子氧化锌沉淀中含有聚苯胺和氧化锌,表明良好的这些氧化锌纳米颗粒聚苯胺涂层。poloran乐队从825年(PAni) > PAni-ZnO (807) > PAni-PEG-ZnO(796)表明纳米粒子的形成(表1)。

S.N. 样本 聚苯胺Wt (g)的比例。:钉/ PVA:金属氧化物 激子带λ马克斯(nm) 极化子乐队λ马克斯(nm)
1。 聚苯胺 5.00:0.00:0.00 355年 427年 825年
2。 PAni-ZnO (5%) 5.00:0.00:0.25 383年 430年 807年
3所示。 PAni-PEG 5.00:2.00:0.00 367年 415年 820年
4所示。 PAni-PEG-ZnO 5.00:2.00:0.35 344年 441年 796年

表1:聚苯胺及其复合材料的紫外可见光谱钉和金属氧化物。

红外光谱

聚苯胺及其复合材料的起始点光谱氧化锌氧化物和挂钩已在KBr媒介。高峰值的光谱数据得到表2。聚苯胺的峰值在1570厘米1和1474厘米1由于环拉伸模式被分配的醌型和苯环型的戒指14]。附近的峰值3200 - 3400厘米1是由于υ(h)伸展振动模式。乐队在2924厘米1和799厘米1是由于υ(碳氢键)(Ph-H)延伸模式和υ(Ph-H)碳氢键分别为平面弯曲振动。峰值为1126厘米1是由于υ(碳碳)延伸模式和在1295厘米吗1是由于υ(氮)伸展振动模式。这些结果(早些时候报告的结果是一致的15]。与氧化锌聚苯胺的复合材料,这些山峰稍微转移表明PAni和氧化锌粒子之间有一些互动。例如,PAni /氧化锌(0.1 g),峰值为1569厘米1和1478厘米1观察由于环拉伸的醌型模式和苯环型的戒指。乐队在1123厘米1和1295厘米1是由于碳碳分别拉伸和碳氮伸展振动模式。高峰在797厘米1和2925厘米1是由于υ(Ph-H)碳氢键的平面弯曲振动和υ(碳氢键)(Ph-H)分别拉伸振动模式。PAni /钉复合,峰值为1582厘米1和1476厘米1是由于醌型和benzoid拉伸模式。乐队在2927厘米1和818厘米1归因于υ(碳氢键)(Ph-H)平面拉伸和υ(Ph-H)碳氢键的平面弯曲振动。达到1296厘米1是由于υ(氮)伸展振动模式。峰值为1103厘米1是由于υ(C-O-C)拉伸模式。

样本 聚苯胺:Wt (g)比例挂钩/ PVA:金属氧化物 环拉伸 υstr(氮)。 υ(碳碳) υ(碳氢键)(凤凰社)
醌型 苯环型的
聚苯胺 5.00:0.00:0.00 1570年 1474年 1295年 1126年 799年
PAni-ZnO (5%) 5.00:0.00:0.25 1566年 1464年 1290年 1120年 796年
PAni-PEG 5.00:2.00 - 0.00 1582年 1403年 1290年 1141年 818年
PAni-PEG-ZnO 5.00:2.00:0.35 1564年 1477年 1301年 1132年 808年

表2:在聚苯胺及其复合特征的起始点吸收和金属挂钩氧化物。

x射线衍射

x射线衍射(XRD)已在不同的样本图1所示。纯挂钩的感染高峰表明其结晶性质及其与PAni-PEG-ZnO复合也尖锐的峰值3.53×10的差值-10年m和1.90×10-10年m的各自的衍射角2θ分别为25°48°。计算d-spacing布拉格公式(16]。

material-sciences-Polyaniline

图1:XRD谱聚苯胺/挂钩(a) (b)聚苯胺(c)聚苯胺/聚苯胺/ PEG /氧化锌氧化锌(d)。

λ= 2 d sinθ

x射线衍射PAni-PEG复合显示锋利的峰值2.49×10-10年米,1.89×10-10年m和1.61 x10-10年m interplaner间距与相应的2θ值36°48°57°的晶体。但聚苯胺在本质上是无定形的广泛的高峰。氧化锌显示自然结晶的高峰。PAni-ZnO混合展览水晶氧化锌(六角的特征峰。这表明氧化锌晶体结构没有修改由于聚苯胺的存在17]。水晶域尺寸L,可以使用谢勒公式估计L = 0.9λ/Δcosθ(2θ),L =粒子的大小,λ= x射线波长,Δ(2θ)=半峰全宽(应用)。聚苯胺的平均粒度(L), polyaniline-polyethylene甘醇,polyaniline-polyethylene glycol-ZnO,和polyaniline-ZnO 60.3 nm, 42.7 nm,分别为16.1和34.5 nm。

扫描电子显微镜

扫描电子显微镜的三个组件系统的代表,Pani / PEG /氧化锌已经给出图2。氧化锌粒子的SEM图像(早些时候报告了18]。这是证明一个散装数量的花像束存在。每束组成的密集纳米尺度棒和辐射形成的结构。它提出了氧化锌粒子成核的影响苯胺的聚合导致同质与聚苯胺涂层的氧化锌。SEM图像不仅支持这些命题还XRD的颗粒大小估计。这些纳米结构也支持我们下面讨论的等效电路分析(RC) (RC)电路从谷物和电极的贡献。

material-sciences-different-resolutions

图2:(a - c)的扫描电子显微镜照相术Polyaniline-Polyethylene醇在不同的决议。

热重量分析

TGA的技术被发现的一个评估的onsect最有用的技巧分解温度和确定导电聚合物的热稳定性。热重量分析法(TGA)的一位代表系统,PAni / PEG /氧化锌已经给出图3。热分析表明持续减肥到280°C由于蒸发的水分子和酸。发生的主要减肥280°C以上由于分解的PAni和100%体重发生在570°C。

material-sciences-tga

图3:TGA的PAni / PEG /氧化锌。

交流阻抗谱

交流阻抗分析的聚苯胺及其复合氧化锌和聚乙二醇在40赫兹到100赫兹的频率范围。这些测量数据模拟使用主办拟合软件,频率范围的103赫兹到1011赫兹最佳分辨率使用等效电路的参数(19]。预计三个半圆图形系统的三个组成部分,粮食、晶界和电极的贡献。两个半圆图形表示的贡献从谷物和电极。一些代表性的情节已经给出图4

material-sciences-impedance-plot

图4:阻抗的情节(a)聚苯胺聚苯胺/氧化锌(b) (c) PAni /聚苯胺/ PEG /氧化锌(d)挂钩。

测量交流阻抗数据和一些模拟的数据一直在和他们的交流组件表3 - 8。

样品 年代交流(S /厘米)100赫兹 年代交流(S /厘米)1 KHz 年代交流(S /厘米)10 KHz 年代交流(S /厘米)100千赫
聚苯胺 1.44×101 1.47×101 1.48×101 1.48×101
PAni-ZnO (5%) 1.40×102 1.47×102 1.49×102 1.51×102
Pani-PEG 1.64×101 1.74×101 1.75×101 1.78×101
PAni-PEG-ZnO 1.54×101 1.66×101 1.69×101 1.70×101

表3:聚苯胺及其复合材料的电导率数据汇总与金属氧化物(氧化锌)和挂钩。

υ(Frequeny) (Hz) Cp×109(电容)(法拉) ׀Z׀(阻抗)(欧姆) G×103(导)(Siemen) σ×101(电导率)(S /厘米)
4×101 0.00 7.24 137.1 1.33
6×101 0.00 7.14 139.4 1.35
8×101 0.00 7.10 141.2 1.37
1×102 0.00 6.96 143.4 1.39
2×102 0.00 6.83 146.3 1.42
3×102 0.00 6.78 147.4 1.43
4×102 0.00 6.76 147.8 1.43
6×102 0.00 6.69 149.3 1.45
7×102 0.00 6.67 149.9 1.45
9×102 0.00 6.63 150.7 1.46
1×103 0.00 6.62 151.0 1.47
2×103 3.00 6.61 151.3 1.47
3×103 3.00 6.59 151.6 1.47
5×103 2.00 6.55 152.6 1.48
7×103 2.00 6.54 152.7 1.48
9×103 2.00 6.52 153.2 1.49
1×104 2.00 6.51 153.5 1.49
2×104 1.70 6.50 153.8 1.49
4×104 1.30 6.48 154.2 1.50
6×104 1.20 6.47 154.4 1.50
8×104 1.00 6.44 154.7 1.50
1×105 0.90 6.44 154.9 1.50

表4:测量交流阻抗数据的聚苯胺使用peroxodisulphate铵作为氧化剂。

υ(Frequeny) (Hz) Cp×109(电容)(法拉) ׀Z׀(阻抗)(欧姆) G×103(导)(Siemen) σ×101(电导率)(S /厘米)
4×101 0.00 7.24 137.1 1.33
6×101 0.00 7.14 139.4 1.35
8×101 0.00 7.10 141.2 1.37
1×102 0.00 6.96 143.4 1.39
2×102 0.00 6.83 146.3 1.42
3×102 0.00 6.78 147.4 1.43
4×102 0.00 6.76 147.8 1.43
6×102 0.00 6.69 149.3 1.45
7×102 0.00 6.67 149.9 1.45
9×102 0.00 6.63 150.7 1.46
1×103 0.00 6.62 151.0 1.47
2×103 3.00 6.61 151.3 1.47
3×103 3.00 6.59 151.6 1.47
5×103 2.00 6.55 152.6 1.48
7×103 2.00 6.54 152.7 1.48
9×103 2.00 6.52 153.2 1.49
1×104 2.00 6.51 153.5 1.49
2×104 1.70 6.50 153.8 1.49
4×104 1.30 6.48 154.2 1.50
6×104 1.20 6.47 154.4 1.50
8×104 1.00 6.44 154.7 1.50
1×105 0.90 6.44 154.9 1.50

表5:测量交流阻抗数据的聚苯胺复合氧化锌(5%)使用peroxodisulphate铵作为氧化剂。

υ(频率)(赫兹) C(电容)(法拉) ׀Z׀(阻抗)(欧姆) G(电导)(siemen) σ×102(电导率)(S /厘米)
1.00×103 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
4.64×103 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
2.15×10 - 2 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
1.00×10 - 1 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
2.15×10 - 1 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
4.64×10 - 1 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
1.00×100 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
2.15×100 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
1.00×101 2.60×106 6.91×100 0.14 1.40
4.64×101 2.57×106 6.90×100 0.14 1.41
1.00×102 2.48×106 6.89×100 0.14 1.41
4.64×102 1.25×106 6.73×100 0.15 1.44
2.15×103 1.07×10-7 6.59×100 0.15 1.47
1.00×104 5.63×9 6.58×100 0.15 1.47
4.64×104 7.38×的真空度 6.58×100 0.15 1.47
2.15 x105 4.89 x10-10 6.58×100 0.15 1.48
1.00×106 4.78×的真空度 6.58×100 0.15 1.48
1.00×107 4.77×的真空度 6.45×100 0.15 1.48
2.15×108 4.77×的真空度 1.51×100 0.15 1.48
1.00×109 4.78×的真空度 3.33×10 - 1 0.15 1.48
1.00×1010 4.78×的真空度 3.34×10 - 1 酒精含量 1.48
4.64 x1010 4.77 x10-10 7.20×103 0.15 1.48
1.00×1011 4.78×的真空度 3.34×103 0.15 1.48

表6:模拟交流阻抗数据的聚苯胺复合氧化锌(5%)使用peroxodisulphate铵作为氧化剂。

υ(Frequeny) (Hz) Cp×108(电容)(法拉) ׀Z׀(阻抗)(欧姆) G×103(导)(Siemen) σ×101(电导率)(S /厘米)
4×101 0.00 1.50 658.7 1.56
6×101 10.00 1.47 674.5 1.60
8×101 10.00 1.45 685.0 1.62
1×102 10.00 1.44 692.1 1.64
2×102 10.00 1.41 707.0 1.69
3×102 10.00 1.40 715.1 1.69
4×102 10.00 1.39 717.8 1.70
6×102 10.00 1.38 723.0 1.71
7×102 10.00 1.38 725.3 1.72
9×102 9.00 1.37 730.9 1.73
1×103 9.00 1.36 732.4 1.73
2×103 8.00 1.36 734.3 1.74
3×103 8.00 1.36 736.1 1.74
5×103 7.00 1.35 741.9 1.76
7×103 6.7 1.34 742.8 1.76
9×103 6.4 1.34 744.4 1.76
1×104 6.3 1.34 746.0 1.77
2×104 5.3 1.34 746.9 1.77
4×104 4.4 1.34 747.8 1.77
6×104 3.9 1.33 747.8 1.77
8×104 3.5 1.33 748.7 1.77
1×105 3.2 1.33 749.4 1.78

表7:测量交流阻抗数据的聚苯胺复合使用peroxodisulphate铵作为氧化剂挂钩。

υ(Frequeny) (Hz) Cp×可达(电容)(法拉) Z׀׀(阻抗)(欧姆) G(电导)(Siemen) σ×10 - 1(电导率)(S /厘米)
4×101 0.00 1.14 864.5x103 1.42
6×101 0.00 1.01 901.3 x103 1.48
8×101 20.00 1.08 923.8 x103 1.52
1×102 20.00 1.06 940.8 x103 1.54
2×102 20.00 1.02 969.6 x103 1.61
3×102 20.00 1.01 989.5 x103 1.62
4×102 20.00 1.00 993.9 x103 1.63
5×102 20.00 1.00 997.9 x103 1.64
7×102 20.00 0.99 1.01 1.66
9×102 18.00 0.99 1.0 1.66
1×103 18.00 0.99 1.01 1.66
2×103 16.00 0.99 1.01 1.66
3×103 15.00 0.99 1.01 1.66
5×103 14.00 0.98 1.02 1.67
7×103 13.00 0.97 1.02 1.67
9×103 12.20 0.97 1.03 1.69
1×104 12.00 0.97 1.03 1.69
2×104 10.30 0.97 1.03 1.69
4×104 8.70 0.97 1.03 1.69
6×104 8.00 0.97 1.03 1.69
8×104 7.60 0.97 1.03 1.69
1×105 7.28 0.96 1.04 1.70

表8:测量交流阻抗数据的聚苯胺复合氧化锌(5%)和挂钩使用peroxodisulphate铵作为氧化剂

随着频率的增加,所有系统的导电率也增加。可能是因为频率依赖极化过程出发极化等频率较低的频率,定位在中等频率和极化原子/电子极化在高频率。聚苯胺(R1C1)(R2C2)获得了等效电路R值1= 2.96×10 - 2Ω,C1 = 8.85×103F R2= 1.52×100Ω,C2 = 2.14×108f .粮食和聚苯胺电极部分的放松时间是2.62×104年代和3.25×108年代显示大的差异,因此两种完全解决半圆形。二元系的PAni /氧化锌氧化锌的重量,即0.25 g(氧化锌)(R1C1)(R2C2)等效电路得到R值1= 3.31×101Ω,C1 = 1.13×103F R2= 6.58×100Ω,C2 = 4.77×1010 F分别。谷物和电极部分的弛豫时间对聚苯胺/氧化锌(0.25 g)的谷物电极部分3.75×104年代和3.14×9 s。阻抗图两个半圆了在这两种情况下指示的贡献从谷物和电极的部分。聚苯胺/桩复合(R1C1)(R2C2)获得了等效电路R值1= 1.35×100Ω,C1 = 3.39×108F和R2= 5.79×10 - 2ΩC2 = 4.49×103f .谷物电极部分的放松时间是2.60×104年代和4.58×108年代,在阻抗图两个半圆被发现。三个组件系统的PAni / PEG /氧化锌复合材料(RC) (RC)等效电路得到R值1= 5.47×10 - 2Ω,C1 = 7.03×103F R2= 9.81×101ΩC2 = 7.44×108F分别。谷物的弛豫时间PAni-PEG-ZnO电极部分是3.84×104年代和7.30×108年代。虚拟阻抗与频率图两峰显示两种不同的弛豫过程取得了谷物和电极的贡献。阻抗的实部和虚部与频率相互接触在同一点。

结论

聚苯胺及其复合材料的合成与挂钩和氧化锌。仿生合成方法被用来准备PAni-PEG, PAni-PEG-ZnO纳米混合材料。水溶性有机聚合物(聚乙二醇)作为仿生合成的援助。从聚苯胺粒径减少(60.3海里)> PAni-PEG(42.7海里)> PAni-ZnO(34.5海里)> PAni-PEGZnO(16.1海里)。很明显从这个序列,我们通过仿生合成方法得到更小的纳米杂化材料。

引用

全球技术峰会