Полианилин
Полианилин ( ПАНИ ) — проводящий полимер и органический полупроводник из семейства полугибких стержневых полимеров . Это соединение вызывает интерес с 1980-х годов из-за его электропроводности и механических свойств. Полианилин — один из наиболее изученных проводящих полимеров. [2] [3]
Историческое развитие
[ редактировать ]Полианилин был открыт в XIX веке Ф. Фердинандом Рунге (1794–1867), Карлом Фриче (1808–1871), Джоном Лайтфутом (1831–1872) и Генри.Летеби (1816–1876). [4] Лайтфут изучал окисление анилина, который был выделен всего 20 лет назад. Он разработал первый коммерчески успешный путь к красителю под названием анилиновый черный . [5] [6] Первое окончательное сообщение о полианилине появилось только в 1862 году и включало электрохимический метод определения небольших количеств анилина. [7]
С начала 20 века время от времени публиковались отчеты о структуре PANI.
Полианилин, полимеризованный из недорогого анилина , может находиться в одной из трех идеализированных степеней окисления : [8]
- лейкоэмеральдин – белый/прозрачный и бесцветный (C 6 H 4 NH) n
- эмеральдин – зеленый для соли эмеральдина, синий для основания эмеральдина ([C 6 H 4 NH] 2 [C 6 H 4 N] 2 ) n
- (пер)нигранилин – синий/фиолетовый (C 6 H 4 N) n
На рисунке х равен половине степени полимеризации (СП). Лейкоэмеральдин с n = 1, m = 0 представляет собой полностью восстановленное состояние. Пернигранилин представляет собой полностью окисленное состояние (n = 0, m = 1) с иминными звеньями вместо аминных звеньев. Исследования показали, что большинство форм полианилина представляют собой одно из трех состояний или физических смесей этих компонентов. Эмеральдиновая (n = m = 0,5) форма полианилина, часто называемая эмеральдиновым основанием (EB), нейтральна, если она легирована (протонирована), она называется эмеральдиновой солью (ES), при этом атомы азота имина протонируются кислотой. Протонирование помогает делокализовать захваченное в противном случае состояние дииминохинон-диаминобензола. Эмеральдиновое основание считается наиболее полезной формой полианилина из-за его высокой стабильности при комнатной температуре и того факта, что после легирования кислотой образующаяся в результате форма эмеральдиновой соли полианилина обладает высокой электропроводностью. [6] Лейкоэмеральдин и пернигранилин являются плохими проводниками, даже если они легированы кислотой.
Изменение цвета, связанное с полианилином в различных степенях окисления, может быть использовано в датчиках и электрохромных устройствах . [9] Полианилиновые датчики обычно используют изменения электропроводности между различными степенями окисления или уровнями легирования. [10] Обработка эмеральдина кислотами увеличивает электропроводность до десяти порядков. Нелегированный полианилин имеет проводимость 6,28 × 10. −9 См/м, тогда как проводимости 4,60 × 10 −5 S/m можно достичь легированием до 4% HBr. [11] Тот же материал можно получить окислением лейкоэмеральдина.
Синтез
[ редактировать ]Хотя синтетические методы получения полианилина довольно просты, механизм полимеризации, вероятно, сложен. Образование лейкоэмеральдина можно описать следующим образом, где [O] представляет собой общий окислитель: [12]
- n C 6 H 5 NH 2 + [O] → [C 6 H 4 NH] n + H 2 O
Распространенным окислителем является персульфат аммония в 1 М соляной кислоте (можно использовать и другие кислоты). Полимер выпадает в осадок в виде нестабильной дисперсии с частицами микрометрового размера.
(Пер)нигранилин получают окислением эмеральдинового основания перкислотой : [13]
- {[C 6 H 4 NH] 2 [C 6 H 4 N] 2 } n + RCO 3 H → [C 6 H 4 N] n + H 2 O + RCO 2 H
Обработка
[ редактировать ]Синтез полианилиновых наноструктур прост. [14]
Используя поверхностно-активные добавки, полианилин можно сделать диспергируемым и, следовательно, полезным для практического применения. Объемный синтез полианилиновых нановолокон широко исследовался. [15]
Предложена многоэтапная модель формирования изумрудиновой основы. На первой стадии реакции формируется степень окисления соли пернигранилина ПС. На второй стадии пернигранилин восстанавливается до соли эмеральдина, поскольку мономер анилина окисляется до катион-радикала . [8] На третьей стадии этот катион-радикал соединяется с солью ES. За этим процессом можно следить с помощью анализа рассеяния света , который позволяет определить абсолютную молярную массу . Согласно одному исследованию, на первом этапе достигается DP, равная 265, при DP конечного полимера, равного 319. Примерно 19% конечного полимера состоит из катион-радикала анилина, который образуется во время реакции. [16]
Полианилин обычно производится в форме длинноцепочечных полимерных агрегатов, дисперсий наночастиц , стабилизированных поверхностно-активными веществами (или легирующими добавками) , или дисперсий нановолокон без стабилизатора, в зависимости от поставщика и способа синтеза. Дисперсии полианилина, стабилизированные поверхностно-активными веществами или легирующими добавками, доступны в коммерческой продаже с конца 1990-х годов. [17]
Возможные применения
[ редактировать ]Основными областями применения являются производство печатных плат : окончательная отделка, используемая миллионами метров. 2 каждый год, антистатические и антистатические покрытия , защита от коррозии. [5] [17] Полианилин и его производные также используются в качестве прекурсора для производства углеродных материалов, легированных N, путем высокотемпературной термообработки. [18] Печатные датчики на основе изумрудного полианилина также привлекли большое внимание для широко распространенных применений, где устройства обычно изготавливаются с помощью трафаретной или струйной печати. [19] или аэрозольная струя [20] печать.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ М. Эвен; С. Квиллард; Б. Корраз; В. Ван; А.Г. МакДиармид (2002). «Тетрамер анилина с концевыми фенильными группами». Акта Кристаллогр. Э. 58 (3): о343–о344. Бибкод : 2002AcCrE..58O.343E . дои : 10.1107/S1600536802002532 . S2CID 62598347 .
- ^ Окамото, Ёсикуко; Бреннер, Уолтер (1964). «Глава 7: Органические полупроводники». Полимеры . Рейнхольд. стр. 125–158.
- ^ Хигер, Алан (2001). «Нобелевская лекция: Полупроводниковые и металлические полимеры: четвертое поколение полимерных материалов». Обзоры современной физики . 73 (3): 681–700. Бибкод : 2001RvMP...73..681H . CiteSeerX 10.1.1.208.7569 . дои : 10.1103/RevModPhys.73.681 .
- ^ Расмуссен, Сет К. (6 октября 2017 г.). «Ранняя история полианилина: открытие и происхождение» . Субстанция . 1 (2). Издательство Флорентийского университета : 99–109. дои : 10.13128/субстанция-30 . Архивировано из оригинала 25 июня 2022 года. PDF-версия.
- ^ Jump up to: а б Хорст Бернет (2002). «Азиновые красители». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a03_213.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Jump up to: а б МакДиармид, Алан Г. (2001). « Синтетические металлы»: новая роль органических полимеров (Нобелевская лекция)». Angewandte Chemie, международное издание . 40 (14): 2581–2590. doi : 10.1002/1521-3773(20010716)40:14<2581::AID-ANIE2581>3.0.CO;2-2 .
- ^ Летеби, Х. (1862). «XXIX.-О получении голубого вещества электролизом сернокислого анилина» . Журнал Химического общества . 15 : 161–163. дои : 10.1039/JS8621500161 .
- ^ Jump up to: а б Фист, Вашингтон; Цибуклис Дж.; Мощность, КЛ; Грёнендал, Л.; Мейер, EW (1996). «Синтез, обработка и свойства материалов сопряженных полимеров». Полимер . 37 (22): 5017. CiteSeerX 10.1.1.619.5832 . дои : 10.1016/0032-3861(96)00439-9 .
- ^ Хуан, Ли-Мин; Чен, Ченг-Хоу; Вэнь, Тен-Чин (2006). «Разработка и характеристика гибких электрохромных устройств на основе полианилина и поли(3,4-этилендиокситиофена)-поли(стиролсульфокислоты)». Электрохимика Акта . 51 (26): 5858. doi : 10.1016/j.electacta.2006.03.031 .
- ^ Вирджи, Шабнам; Хуан, Цзясин; Канер, Ричард Б.; Вейллер, Брюс Х. (2004). «Датчики газа из полианилинового нановолокна: исследование механизмов реагирования». Нано-буквы . 4 (3): 491. Бибкод : 2004NanoL...4..491V . дои : 10.1021/nl035122e .
- ^ Хаммо, Шамиль М. (2012). «Влияние свойств кислотных легирующих добавок на электропроводность полианилина» . Тикрит Журнал чистой науки . 17 (2).
- ^ Чанг, JC; МакДиармид, AG (1986). « Полианилин: легирование протонной кислотой формы эмеральдина в металлический режим». Синтетические металлы . 1 (13): 193. дои : 10.1016/0379-6779(86)90070-6 .
- ^ МакДиармид, AG; Манохар, СК; Мастерс, Дж.Г.; Сан, Ю.; Вайс, Х.; Эпштейн, Эй Джей (1991). «Полианилин: Синтез и свойства пернигранилиновой основы» . Синтетические металлы . 41 (1–2): 621–626. дои : 10.1016/0379-6779(91)91145-Z .
- ^ Чирич-Марьянович, Г. Полианилиновые наноструктуры, в книге «Наноструктурированные проводящие полимеры» (под ред. А. Эфтехари), 2010, John Wiley & Sons, Ltd, Чичестер, Великобритания. дои : 10.1002/9780470661338.ch2 PDF
- ^ Хуан, Цзясин; Вирджи, Шабнам; Вейллер, Брюс Х.; Канер, Ричард Б. (2003). «Полианилиновые нановолокна: простой синтез и химические датчики» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 125 (2): 314–5. CiteSeerX 10.1.1.468.6554 . дои : 10.1021/ja028371y . ПМИД 12517126 . Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2010 г.
- ^ Колла, Харша С.; Сурваде, Сумед П.; Чжан, Синьюй; МакДиармид, Алан Г.; Манохар, Санджив К. (2005). «Абсолютная молекулярная масса полианилина». Журнал Американского химического общества . 127 (48): 16770–1. дои : 10.1021/ja055327k . ПМИД 16316207 .
- ^ Jump up to: а б Весслинг, Бернхард (2010). «Новый взгляд на морфологию и структуру металлоорганического полианилина» . Полимеры . 2 (4): 786–798. дои : 10.3390/polym2040786 .
- ^ Инь, Си; Чунг, Хун Т.; Мартинес, Улисес; Лин, Линг; Артюшкова Катерина; Зеленай, Петр (3 мая 2019 г.). «Катализаторы ORR, не содержащие МПГ, разработанные путем шаблонирования полимеров типа ПАНИ, содержащих функциональные группы с высоким сродством к железу» . Журнал Электрохимического общества . 166 (7): Ф3240–Ф3245. Бибкод : 2019JElS..166F3240Y . дои : 10.1149/2.0301907jes . ОСТИ 1512751 .
- ^ Кроули, К.; Моррин, А.; Эрнандес, А.; Омалли, Э.; Уиттен, П.; Уоллес, Дж.; Смит, М.; Киллард, А. (15 декабря 2008 г.). «Изготовление датчика газообразного аммиака с использованием наночастиц полианилина, напечатанных на струйной печати» . Таланта 77 (2): 710–717. дои : 10.1016/j.talent.2008.07.022 . ISSN 0039-9140 .
- ^ Фишер, Кристина; Вармак, Брюс Дж.; Ю, Юнчао; Сколруд, Лидия Н.; Ли, Кай; Джоши, Пуран К.; Сайто, Томонори; Айтуг, Толга (19 апреля 2021 г.). «Высокочувствительные и селективные датчики аммиака на основе полианилина, напечатанные полностью аэрозольной струей: путь к недорогому обнаружению газа с низким энергопотреблением». Журнал материаловедения . 56 (22): 12596–12606. Бибкод : 2021JMatS..5612596F . дои : 10.1007/s10853-021-06080-0 . ISSN 1573-4803 . ОСТИ 1798595 . S2CID 233303736 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
