导电聚合物及金属有机框架复合材料的制备与表征

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常见的导电聚合物有聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩等导电高分子。导电聚合物自身存在长链的共轭结构,可以提供导电载流子,具有良好的电荷传输能力。经过掺杂后的聚合物,导电率可以得到几个数量级的提高,在超级电容器、传感器、太阳能电池和导电复合材料等方面有着广泛的应用前景。最近的研究表明,导电聚合物的存在状态与其性能有着密切联系,因此制备特定存在状态的导电聚合物对其性能的提高有非常重要的意义。因电子传输而导电的金属有机框架材料(MOFs)少之又少,因此可以利用MOFs的多孔性,在其纳米孔道内合成导电聚合物,来提高其导电性。本文以MOFs为模板,采用化学氧化法,在其高度有序的纳米孔道内合成了导电聚吡咯和聚噻吩类聚合物,并对制备的导电聚合物及MOFs复合材料进行了一系列表征和性能探究。首先,通过化学氧化法,分别在Cu-BTC的三维孔道和In-BDC的一维孔道内合成了聚吡咯(PPy)链,成功制备了PPy@Cu-BTC复合材料和PPy@In-BDC复合材料。结果表明:制得的PPy@Cu-BTC复合材料,经线性扫描测试并计算,其电导率为9.8×10-5S/cm。相比于Cu-BTC模板(约为10-12 S/cm)和溶液中合成的块状聚吡咯(Bulk PPy)的电导率(约为10-8 S/cm),PPy@Cu-BTC复合材料的电导率至少提高了四个数量级。同样,在In-BDC一维孔道内合成了PPy,制得了PPy@In-BDC复合材料,其电导率达7.2×10-5 S/cm,明显高于In-BDC模板和块状聚吡咯的导电性。由此可见,无论是在MOF的一维孔道还是三维孔道内,通过电子转移或者与孔壁的π电子相互作用可将聚吡咯长链封装在MOF纳米孔道内。在外界电场的作用下,电子沿着纳米孔道内的聚吡咯长链传递,这就使得相比于溶液中合成的块状聚吡咯,PPy@MOF复合材料的导电性得到了很大程度地提高。两种PPy@MOF复合材料经碱溶液处理除掉模板后,分离得到的聚吡咯均具有多孔性,并且和块状聚吡咯相比,两种多孔聚吡咯对二氧化碳(CO2)的吸附能力至少提高了一倍。其次,我们分别采用具有一维孔道的In-BDC和三维孔道的MIL-101为模板,并分别在其孔道内实现了3,4-二乙烯基二氧噻吩(EDOT)单体的氧化聚合,经过X射线粉末衍射、扫描电镜、热失重、N2吸附及红外分析表明,成功地制备了PEDOT@In-BDC和PEDOT@MIL-101两种复合材料。经线性扫描测试,PEDOT@In-BDC的电导率达2.7×10-5 S/cm,和功能性材料In-BDC模板相比,复合材料的电导率至少有六个数量级的提高。PEDOT@MIL-101复合材料的电导率为2.8×10-5 S/cm。结果表明,无论是在一维还是三维孔道的MOF内合成PEDOT链,得到的PEDOT@MOF复合材料的导电性相一致。由于MOF模板的绝缘性,PEDOT@In-BDC和PEDOT@MIL-101复合材料均是基于PEDOT而具有导电性的一类新型半导体材料。最后,以多孔材料CYCU-3为模板,在其纳米孔道内实现了吡咯(Py)的化学氧化聚合,得到了具有多孔性和导电性的PPy@CYCU-3复合材料。在整个吡咯的孔内聚合过程中,CYCU-3的结构保持稳定,形貌也未发生改变。最终得到的PPy@CYCU-3复合材料的BET高达420 m2/g,具有一定的多孔性。并且经线性扫描测试,并计算得该多孔复合材料的电导率达5.5×10-7 S/cm,明显高于CYCU-3模板的电导率(σ≈10-13 S/cm)六个数量级,提高了CYCU-3模板的导电性能,这种多孔复合材料是一种新型半导体材料。这种材料具有多孔性和导电性,可作为功能性材料应用于环境友好型的材料领域。除此之外,我们采用螺二芴(SBF)堵孔法,即以具有双孔的In-BDC为模板,用SBF堵住In-BDC模板的大孔道,当吡咯在小孔道内发生聚合反应之后,再消除SBF,以期得到具有一定孔道的PPy@In-BDC导电复合材料。经研究发现,进入In-BDC孔道内的SBF量约占两者总质量的35%,[SBF+PPy]@In-BDC复合材料的电导率为3.1×10-3 S/cm,而复合材料PPy@In-BDC的电导率为7.2×10-4 S/cm,两者都是较好的半导体材料。然而,由于螺二芴分子在孔道内存在形式的不确定性对孔道结构有影响,因此导电PPy@In-BDC复合材料的多孔性还有待进一步的研究。
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