聚苯胺在氧化钛纳米管中的电化学合成研究(3)
1.2 导电高分子及聚苯胺 导电高分子是一种新型的电极材料，其贮能机理是：通过电极上聚合物中发生快速可逆的n型、P型元素掺杂和去掺杂氧化还原反应，使聚合物达到很高的贮存电荷密度，从而产生很高的法拉第准电容。充电时，电荷在整个聚合物材料内贮存源]自{优尔·~论\文}网·www.youerw.com/ ，比电容大。导电聚合物具有塑性，易于制成薄层电极，内阻小。高分子电容器的比能量和比功率分别为 30～50 Wh／kg 和 2～20 kW／kg，其比电容是碳电极材料的 5～6 倍，且聚合物电极材料可确保电容器在 310～312V 的电压下工作，成本低，有较大研究价值。 导电高分子具有金属的导电性和高分子材料的可加工性，可应用于非常宽的频率范围(从直流电频率到光波频率)，涵盖了绝缘体、半导体和导体等在电导率上的应用范围(通过化学或电化学掺杂，电导率可在10-9—105 S／cm变化)。目前，导电高分子的应用主要集中在防静电、电磁波屏蔽、防腐蚀、敏感元件、电致变色材料和分子级电路等电子、微电子工业和化工等领域。聚合物一直被认为是绝缘体，但自从 1976 年，美国宾夕法尼亚大学的化学家 Mac Diarmid 领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔具有类似金属的导电性以后，人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入和提高，逐渐产生了导电高分子这门学科。导电有机物做超级电容器材料时，法拉第反应是快速的“掺杂—脱掺杂”过程，这是一种充放电很快的电化学过程，而且充进的电荷是存放在这种材料的整个体积内，即能量是存放在整个材料内而不仅仅是局限在材料的表面上。从这点上看，它作为电极材料应用在超级电容器方面应该具有广阔的前景。 典型的导电高分子有聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺。聚苯胺（PANI）由于在空气中有良好的稳定性、较高的电导率、较低的成本及结构的多样化、特殊的掺杂机制等，且操作简单，是最具前景的导电高分子之一。聚苯胺在不同氧化态之间能够进行可逆的氧化还原反应，在酸性条件下, 聚苯胺的循环伏安曲线上可出现3对清晰的氧化还原峰。氧化还原峰的峰值电流和峰值电位随膜厚不同而异, 阴极和阳极峰值电流与扫描速度的均方根呈线性关系。聚苯胺在不同的氧化—还原状态下具有不同的结构、颜色以及导电率，完全还原型和完全氧化型时都为绝缘体，只有中间氧化态——翠绿亚胺态，通过质子酸掺杂后可变成导体[7]。聚苯胺的掺杂与其他高聚物完全不同，它是通过质子酸掺杂而导电的。电致变色性是聚苯胺的一个重要特性，与氧化还原反应和质子化过程(pH 值)有关。当电位在-0.2~+1.0V.vs.SCE 之间扫描时聚苯胺的颜色随电位变化而变化, 由亮黄色变成绿色,再变至暗蓝色,最后变成黑色，呈现完全可逆的电化学活性和电致变色效应。导电性是聚苯胺的另一个非常重要的特性,本征态的聚苯胺电导率很低,通过质子酸掺杂后,其电导率可提高12个数量级。通过质子酸掺杂和氨水反掺杂可实现聚苯胺在导体和绝缘体之间的可逆变化。聚苯胺还具有显著的光电转换特性，对外加电压有体积响应特性，在微波频段能够有效地吸收电磁辐射等特性。 导电高分子中离域的大π键形成了类似于半导体能带结构的最高占有轨道和最低未占据轨道，与半导体复合时由于组分之间的复合作用可使复合材料具有特异的光、电、磁、催化等性质，因此在光学、电子、信息存储、催化等领域有着巨大的应用前景。半导体的存在能够改善导电高分子的导电性、稳定性、可加工性。因此，此类新型功能复合材料的制备对扩大导电高分子的应用范围，实现导电高分子的实用化提供了可能。纳米结构的聚苯胺属于共轭高分子材料，其共轭链上的π电子较为活泼，容易离域形成自由电子，且分子链间和分子链内π电子轨道重叠，可以形成导电能带，作为自由电子转移和跃迁的通道，因而具有导电性。