基本信息
- 項目名稱：
- 導電高分子水凝膠與氣凝膠研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 導電高分子水凝膠和氣凝膠能夠結合導電高分子與水凝膠和氣凝膠各自的優(yōu)勢，在能源、催化、生物、環(huán)境工程等諸多領域具有廣泛的應用前景。然而，由于導電高分子既不能在水或有機溶劑中溶解，又不能在高溫時熔融，因而獲得預期的導電高分子水凝膠和氣凝膠在合成方面仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。本項目提供了一種合成導電高分子水凝膠與氣凝膠的新策略，并對獲得的導電高分子水凝膠與氣凝膠的物理化學性能與應用性能進行了系統(tǒng)深入的研究。
- 詳細介紹：
- 導電高分子，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，是一類獨特的能夠顯示出金屬或者半導體的電學和光學特性的有機材料。水凝膠是以三維交聯網絡結構為特征且在三維交聯網絡內容納了大量不流動的水分子的一類膠體。氣凝膠是具有低密度和高比表面積的高度多孔性納米材料，它一般采用超臨界干燥或冷凍干燥把濕凝膠中的液體用氣體來置換而不顯著改變凝膠網絡的結構或者體積而得到的。導電高分子水凝膠和氣凝膠由于結合了導電高分子與水凝膠和氣凝膠各自的優(yōu)勢，因而在化學模仿神經網絡、生物識別膜、電刺激藥物釋放、神經修復、電化學能量儲存、吸附與催化等領域具有廣泛的應用前景。然而，由于常規(guī)的導電高分子既不能在水或者有機溶劑中溶解，又不能在高溫時熔融，因而獲得預期的導電高分子水凝膠和氣凝膠在合成方面仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。 我們由兩位本科生組成的項目小組首先通過有機合成，將親水性的磺酸基團引入到 (3,4)-乙撐二氧噻吩（EDOT）分子中，獲得了兩親性的EDOT-S單體，并首次發(fā)現EDOT-S單體的熒光性能；其次通過氧化偶聯方式，原位合成出導電高分子PEDOT-S水凝膠，且觀察到由二維的納米結構組裝成三維塊體凝膠的現象，這在有機材料的水凝膠中是第一例。并進一步揭示了PEDOT-S水凝膠的電勢依賴的凝膠-溶膠轉變；最后，用EDOT-S單體分散EDOT分子，獲得了穩(wěn)定的乳液。采用氧化偶聯的方式引發(fā)乳液聚合，合成出PEDOT-S/PEDOT水凝膠，以該水凝膠為前驅體，采用超臨界干燥或者冷凍干燥的方式，成功地獲得了PEDOT-S/PEDOT氣凝膠。電化學研究表明，該氣凝膠表現出優(yōu)異的電化學電容性能；吸附實驗表明，該氣凝膠能夠對大多數染料進行高效吸附，并能快速可控的釋放已經吸附的染料分子。 在完成項目的過程中，我們由兩位本科生組成的項目小組已發(fā)表和即將發(fā)表論文共計3篇： (1)Synthesis of conducting polymer hydrogels with 2D building blocks and their potential-dependent gel–sol transitions, Chem. Commun., 2011, (47), 6287-6289 (2)Emulsion-template synthesis and multi-purpose uses of conducting polymer aerogels, 2011, to be submitted to J. Am. Chem. Soc. (3)Alkoxysulfonate-Functionalized PEDOT hydrogels: dimention evolusion, metal-ion effect, overoxidation and pratical performances, 2011, to be submitted to Macromolecules
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：本工作旨在為導電高分子水凝膠及氣凝膠的合成提供一種新方法與思路，并探索獲得的導電高分子水凝膠及氣凝膠的應用性能。 基本思路：首先采用分子設計及有機合成手段，獲得兩親性的導電高分子單體，解決導電高分子既不溶解也不熔融的難題；然后利用氧化偶聯與非共價交聯同步進行的方式，獲得新型的導電高分子水凝膠與氣凝膠；最后考察所獲得的導電高分子水凝膠與氣凝膠的物理化學性能與應用性能。
科學性、先進性及獨特之處
- (1)根據文獻報道的方法合成出兩親性的聚噻吩衍生物EDOT-S，并首次觀測到顯著的光致發(fā)光（熒光）現象； (2)首次合成出以二維納米材料為結構單元的有機導電高分子水凝膠，并觀測到導電高分子水凝膠的氧化電勢依賴的凝膠-溶膠轉變現象； (3)首次利用乳液聚合，合成出新型的導電高分子氣凝膠，并發(fā)現該氣凝膠在染料吸附、電化學儲能等方面有很好的應用性能。
應用價值和現實意義
- (1)提供了一種簡單、快速且通用的導電高分子水凝膠與氣凝膠的合成方法； (2)利用導電高分子水凝膠的化學電勢依賴的凝膠-溶膠轉變有望制備出強氧化劑的傳感器； (3)獲得的導電高分子水凝膠有望在化學模仿神經網絡、電刺激的藥物釋放等領域得到廣泛應用； (4)由導電高分子水凝膠轉變而成的導電高分子氣凝膠在染料的吸附與控制釋放、電化學儲能等領域有很好的應用性能。
學術論文摘要
- 聯用氧化偶合聚合及非共價交聯技術，將兩親性噻吩衍生物通過一步反應，合成出由獨特的二維結構單元構筑的導電高分子水凝膠。水凝膠在標準電極電勢大于0.8 V 的氧化劑作用下發(fā)生解體，顯示出電勢依賴性的凝膠-溶膠轉變現象。 Conducting polymer hydrogels with unusual 2D building blocks were synthesized via combination of oxidative coupling polymerization and non-covalent crosslinking of an amphiphilic thiophene derivative in one step. Chemicals with standard electrode potentials higher than 0.8 V trigger disband of the resulting conducting polymer hydrogels, indicating potential dependent gel-sol transitions.
獲獎情況
- 與之相關的部分研究成果已經發(fā)表于英國皇家化學會主辦的國際權威雜志Chemical Communications （SCI影響因子：5.5） Ran Du, Yangzi Xu, Yunjun Luo, Xuetong Zhang*, Jin Zhang, Synthesis of Conducting Polymer Hydrogels with 2D Building Blocks and Its Potential Dependent Gel-Sol Transitions, Chemical Communications, 2011, (47), 6287-6289.
鑒定結果
- 本項目的研究水平達到國際一流。
參考文獻
- [1]L. Chen, B. Kim, M. Nishino, J. Gong, Y. Osada, Macromolecules, 2000, 33, 1232 [2]N. Mano, J. E. Yoo, J. Tarver, Y.-L. Loo, A. Heller, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7006 [3]R. H. Karlsson, A. Herland, M. Hamedi, J. A. Wigenius, A. ?slund, X. Liu, M. Fahlman, O. Ingan?s, P. Konradsson, Chem. Mater., 2009, 21, 1815. [4]S. Nayak, L.A. Lyon, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7686. [5]U. Barsch, F. Beck, Electrochimica Acta, 1996, 41, 1761. [6]A. Guiseppi-Elie, Biomaterials, 2010, 31, 2701. [7]X. T. Zhang, D. W. Chang, J. R. Liu, Y. J. Luo, J. Mater. Chem., 2010, 20, 5080. [8]X. T. Zhang, J. R. Liu, B. Xu, Y. F. Su, Y. J. Luo, Carbon, 2011, 49, 1884. [9]X. T. Zhang, C. Y. Li, Y. J. Luo, Langmuir, 2011, 27, 1915.
同類課題研究水平概述
- 目前所報道的導電高分子水凝膠一般都是把導電高分子填充到其它水凝膠基體中所獲得的水凝膠的共混物，只有寥寥可數的3篇文獻報道了真正意義上的導電高分子水凝膠，但都存在一些問題： Osada等人以己二酰肼為交聯劑，得到了聚噻吩的水凝膠（Macromolecules, 2000, 33, 1232）。然而該方法制備的導電高分子水凝膠需要使用有機溶劑；Mano等人以聚乙二醇縮水甘油醚作為交聯劑，制備出了聚苯胺的水凝膠（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7006）。然而重復性較差；南京大學陸云教授等報道了PEDOT-PSS的超分子水凝膠（Chem. Commun., 2008, 4279）。然而，在這樣的水凝膠中，含有不導電子的聚苯乙烯磺酸鈉，造成以該水凝膠為前驅體制備的導電高分子氣凝膠不具有電化學電容性能。這些研究表明，開發(fā)真正意義上的并滿足實際應用需求的導電高分子水凝膠，仍然是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作。 由于導電高分子溶膠-凝膠化學的匱乏，造成事實上的合成導電高分子氣凝膠的巨大困難。到目前為止，在世界范圍內還沒有其它任何科學家開展有關導電高分子氣凝膠的研究工作。本項目小組所在的研究室率先通過超臨界干燥把導電高分子水凝膠成功地轉變?yōu)闅饽z，具體研究進展包括：首先采用PEDOT:PSS水凝膠為前驅體，通過超臨界CO2干燥獲得了世界范圍內首例導電高分子氣凝膠(J. Mater. Chem. 2010, 20, 5080)，該工作也把導電氣凝膠的范圍從無機領域拓展到有機領域；在前驅體的合成過程中，原位添加碳納米管，超臨界干燥后能夠獲得導電高分子/碳納米管復合氣凝膠(Carbon, 2011, 49, 1884.)，碳納米管的存在可以提高導電高分子氣凝膠的電學性能、比表面積和熱穩(wěn)定性；通過前驅體的選擇及干燥方式的設計，實現了導電高分子氣凝膠多孔結構的有序化(Langmuir, 2011, 27, 1915)。然而，遺憾的是，這些獲得的導電高分子氣凝膠沒有表現出預期的電化學電容性能，這就迫使我們需要對這些氣凝膠的前驅體，即導電高分子水凝膠進行新的分子設計與合成。 本項目從導電高分子水凝膠與氣凝膠面臨的問題著手，發(fā)展了一種全新的制備導電高分子水凝膠與氣凝膠的方法，并成功了探索出導電高分子水凝膠與氣凝膠在某些領域的應用前景。
