基于電化學合成法的活性炭-鉛筆芯電極表面聚苯胺電磁性能研究

（寶雞職業技術學院，陜西寶雞 721013）

聚苯胺具備自身獨特優勢，即合成簡單、介電常數較大、伏安性良好、質量輕、化學穩定性與力學性能較好、儲存電量能力強大，屬于常用導電聚合物。活性炭屬于碳質吸附材料，以表面積大、質量輕、成本低、化學穩定性與吸附性良好、導電性突出等優勢特性備受青睞。而將活性炭摻加于聚苯胺，可有效提升聚苯胺電性能[1]。因此，本研究通過將活性炭固定于鉛筆芯電極表層，生成活性炭鉛筆芯電極，以電化學合成法在表層制備了聚苯胺-活性炭復合材料。

1 實驗準備

1.1 材料與儀器

苯胺(福晨化學試劑廠)；活性炭粉末(國藥集團化學試劑公司)；活性炭粉末(科密歐化學試劑公司)；活性炭粉末(愛必達膠粘劑公司)。

電化學工作站:辰華儀器廠；超聲波清洗器:超聲儀器公司；發射掃描電鏡儀:FEI 公司；網絡分析儀:Keysight公司生產；掃描電子顯微鏡:Zeiss 公司[2]。

1.2 AC-PEC 制備

在1.1mol/L 鹽酸溶液，添加活性炭粉末，浸泡1d，以蒸餾水進行清洗，直到中性干燥。稱取定量通過酸化處理的活性炭，制備為75mg/mL 活性炭分散液，浸入處理后鉛筆芯，放置15min，再使用蒸餾水清洗，自然干燥后備用。

在酸性溶液中浸入PEC，以去除表層雜質與膠質，自然干燥；在乙醇中浸泡，以去除表層硝酸等雜質，自然干燥；在蒸餾水中浸泡，以去除鉛筆芯表層乙醇等雜志，自然干燥。每10mL 蒸餾水中添加25mg～100mg 改性活性炭粉末，進行超聲分散處理，以獲得均勻活性炭水分散液。每10mL 熔融石蠟溶液內添加25mg～100mg改性活性炭粉末，進行超聲分散分離處理，以獲得均勻活性炭石蠟分散液。在活性炭水分散液中浸入PEC，10min～15min 之后烘干；然后在活性炭石蠟分散液中浸入，10min～15min 之后烘干，以此完成AC-PEC 制備。面向AC-PEC 拋光處理，利用乙醇與蒸餾水，超聲清洗5min～10min，去除表層雜質，自然晾干。在AC-PEC 上纏繞導電絲，利用AB 膠膠水固定，生成AC-PEC 電極。

2.3 PANI-AC 制備

基于帶有0.22mol/L 苯胺的0.32mol/L H2SO4與0.22mol/L KCl 共存電解質中制備，通過AC-PEC 電極表層，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為對電極。通過三電極體系，以參比電極、輔助電極、AC-PEC 電極為工作電極銜接電化學工作站，以構成歐姆回路，然后把三電極體系放置在電解液，并通入氮氣進行除氧。電解液溶液即帶有0.12mol/L～0.52mol/L 苯胺、0.12mol/L～0.52mol/L H2SO4、0.12mol/L～0.42mol/L KCl 的混合溶液。通入氮氣除氧之后，通電狀態下，-0.4V～1.2V 掃描點位范圍內，以0.05V/s 掃描速率，循環8 圈，AC-PEC電極表層構成PANI-AC 復合材料膜，斷電之后重新干凈，烘干以獲取PANI-AC 復合材料[3]。

2 實驗結果分析

2.1 伏安特性

循環伏安曲線積分面積表征著導電材料電化學反應程度與荷電量，而荷電量直接反映材料儲電能力，即：

式（1）中，P代表荷電量，即PANI-AC 制備條件優化指標；R代表電流強度；t代表時間。

PANI-AC 荷電量在很大程度上受掃描電位范圍、圈數、苯胺濃度、硫酸濃度、導電長度、掃描速率、活性炭分散液濃度等要素影響，所以以單一要素循環法對其影響作用進行詳細分析。

PANI-AC 復合材料不同掃描電位范圍下循環伏安曲線[4]如圖1 所示。

圖1 掃描電位范圍不同時PANI-AC 循環伏安曲線Fig.1 Cyclic voltammetric curve of pani-ac with different scanning potential range

基于公式計算分析PANI-AC 復合材料不同掃描電位范圍下循環伏安曲線荷電量，結果[5]見表1 所示。

表1 相對積分面積與荷電量值Table.1 Relative integral area and charge value

由表1 可知，隨著范圍逐步增大，荷電量呈現顯著增加趨勢，其中-0.4～1.1V 范圍內，荷電量處于最高狀態，但是-0.4～1.2V 范圍內，卻表征為下降狀態，這主要是由于范圍過大，苯胺聚合速度提升，使得電極表層聚合時間縮短，導致膜層失衡，溶液內出現帶色聚苯胺低聚物，從而對PANI-AC 復合材料制備造成了直接性影響。所以，-0.4～1.1V 為最合適掃描電位范圍，在此范圍下，掃描8 圈則荷電量最高。而同理苯胺、硫酸、中性電解質KCl 最合適濃度即0.22mol/L、0.32mol/L、0.22mol/L；活性炭分散液濃度即75mg/mL；掃面速率即0.04V/s；導電長度即1.52cm。

2.2 電化學性能

PANI-AC 復合材料電化學性能測試結果即AC 電化學阻抗為7.25Ω；PANI 電化學阻抗為68.18Ω；PANIAC 電化學阻抗為2.66Ω，由此可知，PANI 電化學阻抗最大，PANI-AC 最小，這就表明，AC 在很大程度上優化了PANI 電子傳輸模式，加快了電子傳輸速率[6]。

基于三電極體系，以參比電極、對電極、AC-PEC電極銜接電化學工作站，構成歐姆回路，放置三電極體系于0.12mol/L～0.52mol/L H2SO4溶液中進行通電，0.1*105～105Hz 工作頻率范圍下，對PANI-AC 復合材料電化學阻抗譜加以測試，通過擬合獲得等效電路圖[7]，如圖2 所示。

2.3 電磁損耗

面向2GHz～18GHz 頻率范圍，觀察分析AC、PANI、PANI-AC 材料，其中復介電常數、復磁導率、損耗正切角結果[8]如圖3～圖8 所示。

圖4 AC、PANI、AC-PANI 介電常數虛部Fig.4 Virtual part of permeability of AC,PANI and ACPANI

圖3、圖4 中，γ1、γ2 分別代表復介電常數實部的儲電能力、虛部的耗電能力。通過圖3、圖4 可知，PANI-AC 的γ1、γ2 值最小，這就代表AC 摻雜PANI鏈之后，使得PANI-AC 與電磁波接觸面積增大，結合位點增多，從而造成PANI-AC 介電損耗增大。

圖5 AC、PANI、AC-PANI 磁導率實部Fig.5 Real part of permeability of AC,PANI and AC-PANI

圖6 AC、PANI、AC-PANI 磁導率虛部Fig.6 Virtual part of permeability of AC,PANI and ACPANI

圖5、圖6 中，μ1、μ2 分別代表磁導率實部的儲磁能力、虛部的耗磁能力。由圖5、圖6 可知，在頻率逐步增加的趨勢下，AC、PANI、PANI-AC 的磁導率隨之減小，并出現多個共振峰。在共振頻率狀態下，PANI-AC 復合材料到達磁損耗電磁波狀態，其中單向排序偶極子的電磁波吸收能力得以強化，所以多共振峰的存在，代表材料電磁波磁損耗加強。

圖7 AC、PANI、AC-PANI 介電損耗正切角Fig.5 Tangent angle of magnetic loss of AC,PANI and AC-PANI

圖8 AC、PANI、AC-PANI 磁損耗正切角Fig.8 Tangent angle of magnetic loss of AC,PANI and AC-PANI

由圖7、圖8 可知，相比AC、PANI，PANI-AC 的介電損耗與磁損耗正切角明顯較大，且介電損耗正切角比磁損耗正切角大，說明PANI-AC 的電磁波吸收主要體現在介電損耗層面。

AC、PANI、PANI-AC 反射損耗分析結果[9]具體如圖9 所示。

圖9 材料反射損耗Fig.9 Material reflection loss

由圖9 可知，PANI-AC 在12.56、14GHz 頻率下，存在-7.2dB、-11.6dB 反射損耗；PANI 在12.24GHz 頻率下，存在-33.5dB 反射損耗。PANI-AC 反射損耗強度雖然相對較小，但是吸波范圍實現了一定程度的拓寬。

3 結論

綜上，得出結論，帶有0.22mol/L 苯胺的0.32mol/L H2SO4與0.22mol/L KCl 共同儲放于溶液，基于0.05V/s掃描速度，連續掃描8 圈，以及75mg/mL 活性炭分散液質量濃度，1.52cm AC-PEC 長度條件下，PANI-AC 荷電量最高，穩定狀態最佳，而核-殼結構導電性能良好；與PANI、AC 相比，PANI-AC 阻抗性明顯偏低，且面向7.46GHz～15.14GHz 電磁波有著差異性吸收，吸波范圍較寬；電化學合成法制備復合材料，流程簡捷，條件容易控制，產物不需分離提純，整個工藝流程綠色環保，無污染，并能實現聚苯胺摻雜，以優化改進聚苯胺電化學性能。