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聚苯胺制备和改性及其与氢相互作用研究

作　者: 付志兵
导　师: 唐永建
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 核能科学与工程
关键词: 储氢材料聚苯胺氧化聚合超声化学法容量法氢吸附测试聚苯胺改性
分类号: TQ316.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

有机导电聚合物具有众多优良的物理化学性能,在电化学催化、生物传感器、超级电容器、储氢等诸多领域有着广泛的应用前景。在众多的有机导电聚合物中,聚苯胺由于原料廉价易得、合成简单、电导率高、环境稳定性好等特点而备受人们的关注。本文针对聚苯胺在储氢领域的应用进行了初步研究,主要结论如下:1.采用了合成成本低廉、所得产物更适于储氢应用的合成方法——氧化聚合,以过硫酸铵为氧化剂,采用乳液法、相转移催化以及超声化学法合成了具有不同形貌的盐酸掺杂聚苯胺;氧化剂过硫酸铵与苯胺单体物质量比为1∶1时较佳,在机械搅拌条件下,反应时间在2小时较合适,在超声波存在条件下,只需要5～10分钟反应就可以完成;盐酸浓度对反应产物形貌影响较大,在超声波条件下,合适的盐酸反应浓度(≥1mol/L)可以得到纳米棒状的盐酸掺杂聚苯胺;BET比表面积分析显示,超声化学法合成的聚苯胺具有更大的比表面积,最大可达56.3m~2/g,这与超声波所产生的微射流能够提供更大面积的相接触界面有关;以乙二醇为还原剂,以氯化钯为钯源,通过超声化学法制备了钯掺杂的聚苯胺,XRD图谱显示,超声波对聚苯胺基底没有明显改变,钯是以单质钯存在的。2.为了研究聚苯胺与氢相互作用,根据容积法原理建立起一套氢吸附测试平台,通过不吸附气体氦气来确定参比槽体积和样品槽剩余体积,这是一种较为准确的测定体积的途径。通过分析,该系统误差主要来源于六个方面,而且都比较难于克服,但在相同条件下,其误差积累基本保持不变,因而可以通过测定一定条件下的本底并扣除之,从而得到更为准确的试验结果。该吸附试验平台适用于氢吸附量较大的样品的测试。用该平台测试聚苯胺的氢吸附量发现其吸附量与系统本底是相当,因此该平台不适于测量聚苯胺的氢吸附量。3.利用自动吸附仪测量了不同聚苯胺在77K、0～1大气压的氢吸附/脱附等温线。聚苯胺在该条件下的氢吸附/脱附等温线和气凝胶有着很大的区别,主要是由于其吸附机理不一样、吸附能也存在较大差异造成的;市售碱基聚苯胺经盐酸掺杂处理后氢气吸附量可以提高为原来的3倍,自制盐酸掺杂聚苯胺氢吸附量比市售碱基聚苯胺要高,机械搅拌和超声化学法制备的聚苯胺氢气吸附量差别不大;钯掺杂处理能够大大提高聚苯胺的氢气吸附量,这是一条对储氢材料进行改性的很好途径。4.聚苯胺在高压下吸氢后其电阻率会有明显降低,当置于常压环境中,吸附的氢气能够缓慢释放,电阻率会缓慢回升,十几个小时后氢气能够完全释放。测试材料和氢相互作用前后电阻变化是用来研究材料和氢相互作用机理的一条重要途径。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-21
  1.1 储氢材料国内外研究现状  8-11
    1.1.1 几种可能的储氢途径  8-10
      1.1.1.1 高压储氢  8-9
      1.1.1.2 液态储氢  9
      1.1.1.3 金属氢化物  9
      1.1.1.4 高比表面积的储氢材料  9-10
    1.1.2 几种储氢方法的比较  10
    1.1.3 储氢材料在ICF方面的应用  10-11
  1.2 聚苯胺概论  11-19
    1.2.1 聚苯胺结构和特性  11-13
    1.2.2 聚苯胺的合成方法  13-15
      1.2.2.1 化学氧化聚合  13-14
      1.2.2.2 电化学聚合  14-15
      1.2.2.3 酶催化聚合  15
    1.2.3 聚苯胺的应用  15-19
      1.2.3.1 电磁屏蔽材料  15-16
      1.2.3.2 抗静电材料  16
      1.2.3.3 发光二极管  16
      1.2.3.4 二次电池  16-17
      1.2.3.5 电致变色元件  17
      1.2.3.6 气体分离膜  17
      1.2.3.7 传感器  17-18
      1.2.3.8 防腐材料  18-19
      1.2.3.9 吸波材料  19
      1.2.3.10 智能材料  19
      1.2.3.11 储氢材料  19
  1.3 选题主要依据和主要研究方向  19-21
第二章聚苯胺及改性聚苯胺的制备与表征  21-37
  2.1 实验  21-23
    2.1.1 主要原料试剂  21
    2.1.2 主要仪器设备  21-22
    2.1.3 乳液法合成聚苯胺  22
    2.1.4 相转移催化合成聚苯胺  22
    2.1.5 超声化学法合成聚苯胺  22-23
    2.1.6 盐酸掺杂聚苯胺的制备  23
    2.1.7 金属掺杂聚苯胺的制备  23
  2.2 常规表征结果与讨论  23-36
    2.2.1 氧化剂用量及反应时间的选择  23-24
    2.2.2 超声波对聚苯铵形貌的影响  24-26
    2.2.3 盐酸浓度对聚苯胺形貌的影响  26-27
    2.2.4 盐酸掺杂聚苯胺的XRD分析  27-28
    2.2.5 Pd掺杂聚苯胺的XRD分析  28-30
    2.2.6 盐酸掺杂及碱基聚苯胺的热重分析  30-32
    2.2.7 盐酸掺杂及碱基聚苯胺的红外分析  32-33
    2.2.8 多种聚苯胺的BET分析  33-36
  2.3 本章小结  36-37
第三章聚苯胺的氢吸附行为研究  37-49
  3.1 聚苯胺与氢气相互作用的容量法表征  37-42
    3.1.1 容量法氢吸附试验平台的建立及试验方法  37-38
    3.1.2 容量法氢吸附实验平台各体积标定  38-40
    3.1.3 容量法氢吸附试验平台误差来源分析  40
    3.1.4 容量法氢吸附试验平台本底的测定  40-41
    3.1.5 聚苯胺氢吸附量容量法表征  41-42
  3.2 聚苯胺低压氢气吸附过程研究  42-46
    3.2.1 测试过程  42-44
    3.2.2 结果与讨论  44-46
      3.2.2.1 聚苯胺氢吸附/脱附等温线的特点  44
      3.2.2.2 不同来源聚苯胺的氢吸附量的比较  44-45
      3.2.2.3 钯掺杂聚苯胺的氢吸附量的比较  45-46
  3.3 聚苯胺和氢相互作用电阻法表征  46-47
  3.4 聚苯胺吸氢机理探讨  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章结论  49-51
致谢  51-52
参考文献  52-57
附录  57

聚苯胺制备和改性及其与氢相互作用研究

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