基于有机-无机原位电化学杂化的聚苯胺一维生长控制及传感性能研究

在苯胺电化学聚合体系引入从无机离子出发的氧化物电解电沉积反应，调控苯胺在一定电位下的聚合速度，实现聚合电位、电流的独立调节，同时调控电极表面微环境；引入修饰纳米氧化物颗粒的电泳电沉积过程，借助氧化物和聚合初期生成的聚苯胺纳米纤维间超分子相互作用等，阻碍一维高分子的纠结、缠绕，从多方面入手调控聚苯胺一维生长。利用XRD、IR、SEM、TEM、XPS等研究产物组成、形貌、有机及无机组分在纳米纤维中的分布、聚苯胺氧化还原状态、掺杂状态、无机组分价态等，结合电化学现场原子力显微观测、红外检测等，推测聚苯胺一维生长机制。通过聚苯胺与氧化物电化学共沉积，营造有机、无机组分在纳米、乃至分子尺度相互作用的机遇，制备综合二者特性，及具备协同效应的有机-无机杂化纳米纤维。利用体系湿度、酸、碱性气体、有机蒸气等对纳米纤维电阻的影响，研究其气体传感性能。利用杂化纳米纤维对底物的电流响应，研究其电化学传感性能。

完成了全部研究计划，分别从金属阳离子、金属含氧酸根、表面修饰氧化物纳米颗粒出发，利用氧化物的电化学沉积与苯胺电化学聚合组合，研究氧化物与聚苯胺（PANI）的原位电化学杂化。通过聚合体系优化、电化学实验方案设计等调控PANI的一维电化学生长，并分析一维生长机理。设计制备了丝网印刷碳电极，构建气体传感元件，研究了PANI纳米纤维及PANI基有机-无机杂化膜的湿度传感性能，和对挥发性有机化合物的电阻响应，并利用量子化学计算分析了传感机理。因纳米纤维中PANI的结构有序度高，有利于π电子的有效重叠及电荷在分子链上的快速传递，首次观测到了湿度增加到一定程度（>50%RH）引起聚合物溶胀，导致PANI分子链间距增大，进而引起电阻增加的实验现象。以纳米纤维形式存在的PANI对二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、小分子醇、甲苯、三乙胺等挥发性有机化合物及氨气有快速的电阻响应，且在一定浓度范围内，响应灵敏度与待测物浓度呈线性关系，为其在气体传感领域应用奠定了基础。研究了PANI纳米纤维及PANI基有机-无机杂化膜对IO3-、BrO3-、ClO3-、NO2-、抗坏血酸、4-硝基苯酚的电化学催化性能，研究了催化电流与反应底物浓度的关系，确定与催化电流成线性关系的浓度范围，计算灵敏度、检出限、响应时间等传感性能。并探讨了食盐中IO3-含量测定等实际应用。. 我们在研究工作中发现了PANI纳米纤维、自掺杂PANI、无机氧化物与PANI原位电化学杂化制备的MnOx/ND/PANI（ND：硅烷偶联剂苯胺甲基三乙氧基硅烷）、WOx/PANI等在电化学储能领域的应用前景，因而根据工作进展增加了对其在超级电容器领域应用的研究内容。此外，还开展了PANI与无机介孔材料的原位复合，及复合材料湿度传感性能和电化学储能性能研究工作。在研究中发现无机-有机原位电化学复合基底碳电极的预处理对材料性能有很大影响，经深入分析发现了预处理过程中石墨烯的原位电化学剥离，研究了石墨烯的生物传感性能。还进行了氧化石墨烯的电化学还原，利用循环伏安、恒电流充放电技术等研究了还原氧化石墨烯的储能性能，组装了模拟超级电容器，探索其在超级电容器领域的应用。. 上述研究工作成果发表17篇SCI收录论文，影响因子大于3的共12篇，占70%以上。其中影响因子大于6的1篇，5-6的1篇，4-5的4篇，3-4的6篇。合计影响因子59.587。