電沉積法制備類珊瑚型PPy 材料對UV 的電阻響應

崔錦峰，安進，朱照琪，裴春娟，王成君

(1.蘭州理工大學 石油化工學院，甘肅 蘭州 730050;2.西北民族大學 化工學院，甘肅 蘭州 730050)

聚吡咯由于卓越的導電性和簡單的工藝得到了更深入的研究［1-2］。目前，聚吡咯的制備方法很多，主要有化學氧化法、電聚合法、模板法、無模板法、溶膠-凝膠法、靜電紡絲法等。任麗等［3］以氯化鐵作為氧化劑，苯磺酸鈉為摻雜物，利用化學氧化法合成出聚吡咯，測得冰浴下聚吡咯的電導率最高，達到了58 182 S/cm，得出陰離子的摻雜和脫摻雜有利于電導率的提高。相應地，冉奮等［4］也通過化學氧化法引入摻雜劑TSA 來改善PPy 的電導率。Liu 等［5］采用電聚合法在金相中合成出厚度為80 nm 含AAl2O3的PPy 薄膜，通過XPS、SERS(表面增強拉曼散射光譜)分析發現，該PPy 薄膜的導電性得到了極大提高。Armes 等［6］以納米SiO2粒子作模板，采用原位聚合法制備出電導率為2 ×10－5S/cm 的PPy薄層。

本文以商業應用的不銹鋼絲網和泡沫鎳作為雙電極體系中的工作電極，鉑片電極作為輔助電極，十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑與摻雜劑，添加微量的高氯酸鈉作為氧化劑，采用電沉積聚合法得到了類珊瑚型聚吡咯材料，在UV 輻射下測試其電阻變化響應性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

吡咯、鹽酸、氫氧化鈉、十二烷基苯磺酸鈉、高氯酸鈉、無水乙醇、丙酮均為分析純;蒸餾水。

鉑片電極;恒壓電源，自制;不銹鋼商業絲網(325 目);泡沫鎳(厚度0.9 mm);JA5003 電子天平;JSM-6701F 掃描電鏡;NEXQS670 傅里葉變換紅外光譜儀;LP-40A 高強度紫外線燈;KQ3200DE 型數顯超聲波清洗器;司樂85-1 磁力攪拌器。

1.2 實驗方法

1.2.1 工作電極預處理 將1 cm×1 cm 的不銹鋼商業絲網、泡沫鎳置于1.0%的鹽酸溶液、1.0%的氫氧化鈉溶液、丙酮與無水乙醇中，分別超聲處理10 min，45 ℃干燥3 h。

1.2.2 輔助電極預處理 將鉑片電極放于1.0%的鹽酸溶液中靜置30 min 后取出，用定性濾紙小心擦拭電極表面，蒸餾水清洗，自然干燥。

1.2.3 類珊瑚型PPy 材料的制備 稱取0.939 3 g(0.14 mol/L)吡咯單體液體，0.243 9 g(0.007 mol/L)十二烷基苯磺酸鈉粉末與0.1 mg 高氯酸鈉，放入250 mL 燒杯中，加入100 mL 蒸餾水，室溫下均勻攪拌30 min，超聲處理10 min，N2脫氣30 min，形成無氧溶液。以不銹鋼商業絲網和鉑片電極分別作為工作電極與輔助電極，極距為3 mm，反應電壓為11.5 V，反應3 h。取出洗至中性，60 ℃干燥3 h，得到兩電極間黑色的類珊瑚型PPy 材料［7］。相應地，將不銹鋼絲網基底換為泡沫鎳基底，通過電沉積方法制備出以泡沫鎳為基底的類珊瑚型PPy 材料。將類珊瑚型PPy 材料靜置于3 mol/L 的鹽酸溶液中，80 ℃除鎳，通過不斷地將反應余液置換成新鹽酸溶液來去除泡沫鎳基底，直至無氣泡生成為止［8］。使用干凈的載玻片托出被除去泡沫鎳基底的黑色類珊瑚型PPy 材料，放于45 ℃鼓風干燥箱內烘干。

1.3 UV 輻射下電阻變化實驗

稱取干燥好的類泡沫型PPy 導電材料0.5 g，放入雙開口的試管中，塞上橡皮塞，通氮氣20 min，進行UV 輻射測試，見圖1。UV 光強度為20 000 μW/cm2，燈源距離樣品高度為20 cm，UV 輻射測試時間分別設置為≤30 s，未在UV 輻射下的測試時間分別設置為8 ～15 min。

圖1 UV 紫外線輻射測試電阻變化裝置示意圖Fig.1 The resistance change device of UV irradiation test

2 結果與討論

2.1 材料的結構表征

類珊瑚型PPy 材料的掃描電鏡見圖2。

圖2 電沉積反應裝置示意圖(a)及類珊瑚型PPy 材料電鏡圖(b，c，d)Fig.2 The sketch photograph of electrodepositing experiment(a)and SEM photos of coral-like PPy material(b，c，d)

圖2(a)是用于聚吡咯生成的電沉積反應裝置示意圖，其中工作電極使用了預處理后的不銹鋼絲網或鎳網，連接自制恒壓電源的正極端，由于兩極間存在穩定的定向電流，所以兩極間會產生聚吡咯立體材料。

由圖2(b，c，d)可知，在所形成的兩個聚吡咯泡壁間(見圖2c)生成許多小聚吡咯球形泡［9］，球形泡間依靠吡咯環上α 位與β 位(見圖3b)的碳原子相互聯接，形成分布密集的珊瑚型球泡簇［10］。因為吡咯單體不溶于水相，與水分子之間形成了一層油水界面，在電聚合反應發生的過程中會發生界面聚合反應，因此在工作電極與輔助電極之間生成聚吡咯球形泡(見圖2c)，而每一個球形泡在有限的極距間相互擠壓堆砌(見圖2d)，加之聚吡咯側鏈間的內部長鏈連接作用(見圖2a)，所以才會形成密集的類珊瑚型聚吡咯球泡簇。

圖3 聚吡咯鏈間相互作用原理圖(a)、吡咯單體結構圖(b)及吡咯聚合反應方程式(c)Fig.3 The principle diagram of the interaction between polypyrrole chains(a)，the structure of pyrrole monomer(b)and the pyrrole-polymerization equation(c)

由圖3 可知，由于吡咯單體結構上α 位與β 位的碳原子(見圖3b)活性差異，使得吡咯發生聚合反應時主要以α-α 連接為主(見圖3a，c)，聚吡咯長鏈之間以α-β 連接方式(見圖3c)相連，故形成了立體的類珊瑚型聚吡咯材料。

類珊瑚型PPy 材料的FTIR 圖譜，見圖4。

圖4 類珊瑚型PPy 材料的FTIR 圖譜Fig.4 FTIR Spectra of coral-like PPy material

由圖4 可知，1 633，1 555，1 408，1 129，1 144 cm－1的吸收峰為吡咯環 C C 鍵、C─N 鍵、C─C 鍵的特征吸收峰，證明了聚吡咯的骨架結構［11］;3 436，2 931 cm－1的兩處吸收峰分別緣于N─H 特征伸縮彎曲振動和 C H 特征伸縮振動;919，772 cm－1的吸收峰是由吡咯環上的Cβ─H 面內彎曲變形振動引起的，證明了在吡咯單體間生成聚吡咯的連接方式主要是α-α 連接形式［12-13］。正是由于這種特殊的連接方式，使吡咯單體間以α-α 形式連接，生成類珊瑚型的立體聚吡咯材料。

2.2 基于泡沫鎳的PPy 材料的表征

基于泡沫鎳的PPy 材料的掃描電鏡見圖5。

圖5 基于泡沫鎳的PPy 材料電鏡圖Fig.5 SEM photos of PPy materials based on nickel foam a. ×10 000，b. ×50 000

由圖5 可知，在泡沫鎳工作電極基底上電沉積出類珊瑚型聚吡咯材料。由于表面活性劑與摻雜劑十二烷基苯磺酸鈉的作用，所形成的聚吡咯長鏈在水相中逐漸延伸成許多“觸須”狀(見圖5a)，且鏈間相互交結纏繞。在形成的“觸須”狀上可看出，基于泡沫鎳為基底的類珊瑚型聚吡咯材料是由眾多的聚吡咯納米顆粒(見圖5b)依靠分子間的相互作用堆砌形成的。由于泡沫鎳基底的孔隙較大，且為立體結構，在電流密度上比較集中，在11.5 V 恒電壓的作用下，吡咯分子單體通過電化學聚合，形成聚吡咯的納米顆粒，附著在泡沫鎳的表面上，后期新生成的聚吡咯的納米顆粒會以聚吡咯分子間的相互作用連接，從而形成了錯綜復雜的類珊瑚型聚吡咯材料。與在不銹鋼絲網和鉑片電極間的類珊瑚型聚吡咯球形簇材料相比，其主要是以納米顆粒為主，原因在于泡沫鎳的孔隙較大，且成空心立體構造，使得整體電極間處于恒電壓狀態，而且吡咯單體濃度較高，抑制了吡咯的界面聚合反應，主要以吡咯單體間的α-α連接方式為主，生成聚吡咯納米顆粒。通過電沉積法可以在不同的基底上制備出類珊瑚型聚吡咯材料，而且表面粗糙度明顯，說明不同的基底對形成的類珊瑚型聚吡咯結構形貌存在著影響。

2.3 UV 紫外光線對材料電阻的影響

2.3.1 UV 紫外線輻射下材料電阻的變化 電阻變化測試結果見圖6。

圖6 UV 紫外光線對材料電阻的影響Fig.6 The influence of UV ultraviolet light for resistance of materials

由圖6 可知，隨著UV 輻射時間的增加，材料的電阻表現出下降趨勢，由初始的電阻值1.3 MΩ 下降到趨于穩定的電阻0.3 MΩ。原因在于由吡咯單體相互連接生成共軛聚吡咯時，所形成的聚吡咯環上存在Π 鍵電子云，當UV 輻射時，該電子云中電子活動較為活躍，加快了電子之間的運動速率，使得類珊瑚型PPy 材料的導電性急劇增加，電阻表現出下降的趨勢。隨著時間的增加，電子運動慢慢趨于平衡，所以最終的電阻呈現出穩定值。

2.3.2 未在UV 紫外線輻射下材料電阻的變化

在UV 紫外線輻射的基礎上，撤去紫外光燈源，繼續通入氮氣，測試在8 ～15 min 的電阻變化趨勢，結果見圖7。

圖7 未UV 紫外光線輻射對材料電阻的影響Fig.7 The influence of removing UV ultraviolet light for resistance of materials

由圖7 可知，當紫外線燈光源撤去后，隨著時間的增加，類珊瑚型PPy 材料的電阻值表現出上升的趨勢，由8 min 時的0.5 MΩ 逐漸升至1.3 MΩ。撤去UV 輻射后，電子在吡咯單體的五元環中的Π 電子云的活躍性下降，降低了電子的運動速率，使得類珊瑚型PPy 材料的導電性逐漸恢復到原始值，電阻值也逐漸增加至1.3 MΩ。

3 結論

(1)利用電沉積法在不同的基底上可以制備出類珊瑚型聚吡咯材料。

(2)不同的基底對形成類珊瑚型聚吡咯形貌存在著影響。

(3)通過摻雜十二烷基苯磺酸根陰離子，生產聚吡咯材料，提高其導電率。

(4)在UV 紫外線照射下，類珊瑚型聚吡咯材料具有光敏感應特性。隨著UV 輻射時間的增加，其電阻值先下降后趨于平衡;撤去UV 紫外線后，隨著時間的延長，其電阻值會逐漸上升，回復到初始電阻值。

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