一步法构筑聚吡咯纳米材料和纳米材料及其催化特性分析

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1、一步法构筑聚吡咯纳米材料和纳米材料及其催化特性分析第一章绪论1.1导电高分子种类介绍导电高分子的定义：主链高分子具有共轭的电子体系，在经过适当的掺杂后会达到导电状态的高分子。传统的高分子聚合物材料通常被认为是绝缘的并且不导电的。这个想法一直持续到1977年，这一年美国科学家AlanJ.Heeger，AlanG.MacDiarmid和日本科学家HidekiShiraka达到掺杂后的103S/cm[1]，这个科学上的重大发现，成功地改写了高分子聚合物由不导电的绝缘体变成具有电活性导体的历史。与此同时，导电高分子聚乙炔的发现一方面打破有机高分子都是绝缘体的不导电时代，即高分子聚合物是绝缘体

2、的传统观念宣告结束；另一方面宣告了导电高分子的诞生，与此同时吸引着世界各地的科学研究者的研究兴趣。随着人们对导电高分子的结构和导电性能的认识的大幅度提高,导电高分子也已经逐步的成为一种多学科交叉的新科学研究领域，同时显示出广泛的基础科学研究与多方面的应用前景。导电高分子具有导电性能的同时依然保留着高分子材料的机械可加工的性质，而且导电高分子是一种价格比较便宜的、又具有抗腐蚀能力的材料，在过去的几十年里得到了学者们的广泛的研究，并已成功开发应用于电子与光子器件、生物化学、电化学储能、传感器、电磁屏蔽材料等领域[2‐7]。在2000年，因为这三位科学家在导电高分子领域的开创和富有成效的工

3、作，瑞典皇家科学院授予了三位科学家诺贝尔化学奖，这也充分肯定了导电高分子的发现具有的重要的科学价值和广阔的应用前景。科学家们称导电聚合物为合成金属，原因是在于人工合成的导电高分子具有与金属导电性性能相类似同时又具有传统高分子聚合物的机械性可加工的性能。导电高分子聚合物的主链是由单双键交替而形成的共轭π键主电子体系，目前常见的导电聚合物主要有聚乙炔（Polyacetylene）、聚呋喃（Polyfuran）、聚吡咯（Polypyrrole）、聚苯胺（Polyaniline,）、聚噻吩（Polythiophene）、聚苯撑（Polyphenylene）、聚对苯撑乙烯（Poly(ph

4、enylene-vinylene)）等，它们的结构式见图Scheme1.1。1.2导电聚吡咯的介绍聚吡咯（PPy）是一种开始并没有受到人们重视的导电高分子，直到1979年,美国的Diaz等在乙腈电解液中利用电化学氧化法成功的得到电导率为100S/cm的聚吡咯薄膜[8]。通过对其电化学性能的研究，人们发现其电荷贮存能力高、导电性能好、环境稳定等。纯的导电性聚吡咯(即不经过掺杂)的导电性较差,在经合适掺杂剂掺杂后的聚吡咯才能表现出高的导电性能。而且它具有密度轻、合成容易、电导率高、环境稳定性好和丰富的氧化还原性等诸多优点，使其在能源电池、超级电容器、发光二极管、传感器、分子器件和生物学等

5、领域有着广泛的或者潜在的应用，因此聚吡咯受到诸多科研工的青睐。1.2.1导电聚吡咯的结构聚吡咯同其他导电高分子一样主链上含有共轭π键主电子体系。聚吡咯是由吡咯环的2、5偶联的化学结构形成的，高分子成半结晶态，由于2、5偶联使得相邻吡咯环的排列方式是不同的，因而通常把两个相邻的吡咯环看做一个重复单元[9,10]，如图1.1所示：导电高分子聚吡咯的吡咯环是单、双键相互交替排列的共轭结构。我们知道σ电子和π电子共同构成了双键，σ电子是通过共价键形成的，因此不能在主链上移动。而π电子没有固定在某个碳原子上导致π电子有在整个链上有移动的倾向，如图

6、1.2所示。π电子云之间的重叠导致电子可以在整个分子上自由移动，也就是说，π电子类似于金属导体的自由电子[11]。当施加外在电场时，π电子可以快速地沿着高分子链定向移动，产生电流使聚吡咯导电。第二章一步法构筑聚吡咯空心胶囊与聚吡咯纳米管及其机理研究纳米或微米空心高分子结构，尤其是那些大小和形状可控的，在吸收、分离、药物释放、细胞和酶的移植、基因、传感器、环境监测等领域具有潜在的应用[1‐9].一个典型的方法基于模板的牺牲核心的方法来制备纳米或微米级中空聚合物结构主要涉及一个多步骤的过程[10]。首先，合成模板，然后利用原位聚合的方法覆盖模板，最后，模板通过化学刻蚀或

7、其他的方法被去掉。尽管通过这种方法利用自组装能得到空心结构[11],利用一步法溶液中合成这样的结构对我们来说仍然是一个挑战。在过去的几十年里，由于其新颖的导电性能和在许多领域有趣的应用,导电聚合物已经被广泛的研究最近，纳米结构导电聚合物吸引了更多的关注，因为他们的纳米效应，可以提高它们在敏感的化学传感器、电子设备、能量转换和存储装置的性能[12-16]。在诸多导电聚合物中，聚吡咯是最有前途的一种，由于其高的导电性，优良的环境稳定性和在许多领域潜在的应用。在