离子聚合物接枝多壁碳纳米管的合成及其电活性研究

论文摘要

由于碳纳米管（CNTs）拥有独特的结构,表现出优异的光、电、磁、力学物理性质,在生物医学和电子器件等领域拥有巨大的应用前景。尤其是水溶性碳纳米管在生物医药方面表现出了巨大潜力,更加吸引了人们关注。本文选择价廉易得的有机分子,在多壁碳纳米管（MWNTs）表面共价接枝上离子聚合物,探讨了此改性水溶性MWNTs在电化学传感器及电活性高分子制动器方面的应用。先对MWNTs进行酸化处理,利用酰胺反应在MWNTs表面引入可聚合的乙烯基。通过自由基聚合反应,将苯乙烯磺酸钠（SSS）和丙烯酸（AA）原位共聚合到MWNTs的表面,合成了聚（苯乙烯磺酸钠-丙烯酸）接枝多壁碳纳米管（ P（SSS-co-AA）-g-MWNT ）。傅立叶红外光谱（ FTIR ）、拉曼光谱（ Raman Spectroscopy）、核磁共振氢谱（1H NMR）和透射电子显微镜（TEM）分析证实了聚（苯乙烯磺酸钠-丙烯酸）（P（SSS-co-AA））共价接枝在MWNTs管壁表面,形成以纳米管为核、P（SSS-co-AA）为壳的核壳结构,包覆层厚度在7-12nm之间,P（SSS-co-AA）的接枝含量为82.3%。P（SSS-co-AA）-g-MWNT具有良好的水溶性,溶解度为4mg/mL。利用此水溶性MWNTs修饰玻碳电极制成电化学传感器,修饰的电极具有电子快速转移能力、强的催化能力和电化学活性。用该电化学传感器检测生物分子时,尿酸（UA）、多巴胺（DA）和5-羟基色胺（5-HT）分别有较好的电化学响应,且能同步检测多巴胺和5-羟基色胺。以水溶性MWNTs为模板,在其表面组装Ag纳米粒子,形成Ag@MWNT纳米复合物。通过控制还原剂的添加量,组装的Ag颗粒尺寸能控制在2-4nm之间,且Ag@MWNT在水中具有良好的分散性。复合物修饰的玻碳电极具有较强的催化能力,能检测溶液中的溶解氧和双氧水。通过热交联和戊二醛交联,制备了PVA/P（SSS-co-AA）离子交换膜（IEM）,并优化实验条件。当PVA与P（SSS-co-AA）的质量比为2:1时,IEM有较好的力学性能、离子交换容量和吸水率。P（SSS-co-AA）-g-MWNT与PVA/P（SSS-co-AA） （w/w 2:1）基体具有很好的相容性,能均匀的分散于基体中。与未添加P（SSS-co-AA）-g-MWNT的IEM相比,添加P（SSS-co-AA）-g-MWNT的IEM力学性能和电导率得到明显改善。当P（SSS-co-AA）-g-MWNT的添加量为20%时,离子交换膜的杨氏模量从288.70增加到620.46 MPa,电导率从10-13增大到10-4 Scm-1。以离子交换膜为中间层,两面镀上金属Au,制备了三明治结构的制动器。在直流电场（1-5V）的驱动下,制动器能向阳极发生弯曲变形。当采取频率为0.25Hz、电压为±1.5V的方波驱动时,掺杂5%、10%和20% P（SSS-co-AA）-g-MWNT的制动器偏转位移的振幅均在13 mm以上。同时,随着P（SSS-co-AA）-g-MWNT添加量的增加,制动器的松弛现象得到明显改善,对电场的灵敏性也得到提高。用P（SSS-co-AA）-g-MWNT膜取代金属Au作为电极层,制备了新型结构的制动器。在直流电场驱动下,制动器向阳极作弯曲变形运动。当在频率为0.25Hz、电压为2V的方波电压驱动下,制动器作周期性弯曲运动,偏转位移最大振幅为1 mm,并且随着电压的增大偏转位移振幅增大。通过SEM观察,功能化纳米管组成的MWNTs片与离子交换膜具有强的界面粘结性,在循环弯曲变形时不易剥离。MWNTs片中纳米管的网络连接和多孔结构,能阻止水分解时所产生的气体对电极层的破坏。在0.25Hz、±2.0V方波电压驱动下、经过3,000次循环操作,偏转的最大位移幅度仅减少大约10%;而每天循环操作200次,持续三个月后制动器的偏转位移几乎没有衰减,该制动器具有较长的使用寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 碳纳米管概述
• 1.2 碳纳米管的电活性应用
• 1.3 碳纳米管的改性及其复合材料
• 1.4 论文选题和研究内容
• 2. 聚（苯乙烯磺酸钠-丙烯酸）接枝多壁碳纳米管的合成
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 3. 聚（苯乙烯磺酸钠-丙烯酸）接枝多壁碳纳米管修饰电极的电化学行为
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 4. Ag 纳米粒子负载多壁碳纳米管的制备及电化学行为
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 5. MWNT 增强PVA/P （SSS-co-AA）离子交换膜的制备与性能
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 6. Au/IEM/Au 制动器的制备与电力响应特性
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 7. 基于碳纳米管薄片电极的制动器的制备与电力响应特性
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.3 结果与讨论
• 7.4 本章小结
• 8. 总结与展望
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ 攻读博士学位期间已发表和待发表论文目录
• 附录Ⅱ 攻读博士学位期间参加科研项目