基于生物分子模板构建聚吡咯微纳米结构

论文摘要

聚吡咯（PPy）是一种具有优良电化学活性和生物相容性的导电高分子,在组织工程、药物释放、防腐、传感器和超级电容器等诸多领域有重要的应用价值。相关文献表明,利用导电高分子独特的掺杂性能,可以将肝素钠、透明质酸、胶原以及酶等生物分子作为掺杂剂导入PPy中,用以增强导电高分子的生物活性。值得指出的是,某些生物分子还可以作为模板用于制备纳米材料。在过去几年中,人们采用蛋白质、多糖以及DNA等多种生物分子作为模板先后制备了金、银和碲等无机材料纳米线。但目前很少有以生物分子为模板制备导电高分子PPy纳米材料的相关报道。事实上,使用生物分子为模板制备PPy纳米材料,可将导电高分子纳米材料的独特性能与生物分子的优良性能结合起来,因此具有重要的研究价值。在这样的背景下,本论文主要探讨采用几种线型生物分子为模板诱导制备PPy微、纳米材料的方法。主要研究内容和结果如下:以透明质酸钠、淀粉、壳聚糖和明胶等生物分子为模板采用电化学法在室温下制备出表面光滑的PPy纳米线。此法具有操作简单、条件温和（室温）、制备时间短（30-600 s）、纳米线直径可控、成本低、安全无毒、环境友好（近中性磷酸盐缓冲液）以及一步制备无需后续处理等优点。系统考察了浓度（生物分子、吡咯单体、高氯酸锂和磷酸盐）、溶液pH值、制备方法、电极材料以及聚合时间等因素对PPy纳米线形貌的影响。研究发现,PPy纳米线的直径可以通过调节单体浓度（0.03～0.21 M）和生物分子浓度（0.002～0.08 wt%）控制其在50～95 nm范围内变化。制备PPy纳米线时,制备方法可以选择恒电位法、恒电流法和循环伏安法,电极材料可以是导电玻璃（ITO）、钛、金、石墨以及不锈钢等。然而,在反应体系中不加入生物分子只能制得普通形貌的PPy。因此,我们初步提出了以线性生物分子长链为模板诱导制备PPy纳米线的机理。在含有淀粉的溶液里,当吡咯单体浓度较高（≥0.28 M）时,在钛电极上可制备高为4～7μm,下端直径约为1.5μm,上端有明显的孔洞,孔径为100～200 nm的PPy锥形管。锥形管形貌与吡咯单体浓度、生物分子浓度、工作电极种类、氧化电位大小、聚合时间以及溶液pH值等因素有关。其制备机理可以用“气泡”和生物分子双模板协同作用来解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 导电高分子概述
• 1.1.1 导电高分子的分类
• 1.1.2 导电高分子聚合方法
• 1.1.3 聚吡咯概述
• 1.2 导电高分子的应用
• 1.2.1 化学、生物传感器
• 1.2.2 组织工程
• 1.2.3 超级电容器
• 1.2.4 金属防腐
• 1.2.5 其他用途
• 1.3 导电高分子纳米材料的制备
• 1.3.1 硬模板法
• 1.3.2 软模板法
• 1.3.3 无模板法
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第二章 以透明质酸钠为模板制备聚吡咯纳米线
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 试剂和仪器
• 2.1.2 聚吡咯纳米线的制备
• 2.1.3 聚吡咯纳米线的表征
• 2.2 实验结果
• 2.2.1 形貌表征
• 2.2.2 结构组成表征
• 2.2.3 电化学性能表征
• 2.2.4 制备条件对聚吡咯纳米线形貌的影响
• 2.3 制备机理
• 2.4 本章小结
• 第三章 以淀粉为模板制备聚吡咯纳米线
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 实验试剂与仪器
• 3.1.2 聚吡咯纳米线的制备
• 3.1.3 聚吡咯纳米线的表征
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 形貌表征
• 3.2.2 结构组成表征
• 3.2.3 电化学性能表征
• 3.2.4 制备条件对聚吡咯纳米线形貌的影响
• 3.3 制备机理
• 3.4 壳聚糖诱导制备聚吡咯纳米线
• 3.5 本章小结
• 第四章 以明胶为模板制备聚吡咯纳米线
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 实验试剂与仪器
• 4.1.2 聚吡咯纳米线的制备
• 4.1.3 聚吡咯纳米线的表征
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 形貌表征
• 4.2.2 结构组成表征
• 4.2.3 电化学性能表征
• 4.2.4 制备条件对聚吡咯纳米线形貌的影响
• 4.3 制备机理
• 4.4 本章小结
• 第五章 聚吡咯锥形管的制备
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 实验试剂与仪器
• 5.1.2 聚吡咯锥形管的制备
• 5.1.3 聚吡咯锥形管的表征
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 形貌表征
• 5.2.2 结构组成表征
• 5.2.3 电化学性能表征
• 5.2.4 制备条件对聚吡咯锥形管形貌的影响
• 5.3 制备机理
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢