聚苯胺的合成與性能研究
——介紹一個化學綜合實驗

邊立君 劉曉霞

(東北大學化學系 遼寧沈陽 110819)

實驗教學是本科教學的重要組成部分，是培養學生實際工作能力和創新思維的重要手段。高年級學生經過基礎化學實驗階段的基本訓練，已經初步掌握了各門基礎課的基礎理論和實驗操作技能，但還缺乏將各種實驗方法及技術融會貫通和綜合應用的能力，創新意識和創新能力也不夠。化學綜合實驗以知識、技能、操作的綜合運用及新技術、新成果和交叉技術的應用為主要教學內容，能夠幫助學生鞏固已經掌握的化學實驗基本知識與技能,更重要的是可以培養學生的知識綜合運用能力、分析問題和解決問題的能力，培養創新思維[1-2]。

導電聚合物是近20年快速發展的新研究領域。導電聚合物的發現，打破了傳統的聚合物不導電的觀點。在一定條件下，其導電能力可以與金屬相媲美，在眾多領域都有重要應用潛力[3]。聚苯胺作為導電聚合物家族的重要成員，具有很多優點，如：原料便宜、合成簡便、穩定性高、室溫導電性可控等。同時，聚苯胺還具備豐富的光、電性能，在化學儲能、光電器件、化學傳感等諸多領域有應用潛力，受到國內外科學界的廣泛關注[4-5]。將聚苯胺的合成及性能研究系列實驗引入實驗教學，通過“合成—表征—性能研究”的實驗過程，不但可以讓學生了解科學研究的基本工作思路，還可以培養學生綜合運用所學的基礎知識和實驗技能，設計實驗方案，解決實驗過程中遇到的實際問題。

1 實驗目的

(1) 了解科學研究基本思路；培養學生閱讀科技文獻的能力及設計實驗方案的創新能力。

(2) 掌握化學法及電化學法合成聚苯胺。

(3) 掌握循環伏安法的原理及其應用。

(4) 了解電化學催化和電化學傳感的基本研究方法。

(5) 了解氣體傳感機理及其應用。

2 實驗設備

(1) 儀器：磁力攪拌器、四探針測試儀、循環水式多用真空泵、真空烘箱、電化學工作站、數字萬用表、粉末壓片機。

(2) 試劑：苯胺、過硫酸銨、硫酸、氨水、N,N-二甲基甲酰胺、三氯化銻，鹽酸。

3 實驗原理

4 實驗內容

4.1 準備工作

在開始實驗前，要求學生做好以下準備工作：(1) 查閱文獻，對聚苯胺的性質有初步了解；(2) 了解聚苯胺的合成方法及基本操作；(3) 了解傳感器的原理及應用前景。

4.2 化學法合成聚苯胺

(1) 將50mL過硫酸銨(0.5mol·L-1)滴加到裝有苯胺(0.4mol·L-1)和硫酸(1.0mol·L-1)溶液的圓底燒瓶中，磁力攪拌，冰水浴控溫。反應3h后，停止攪拌。抽濾，用稀硫酸、丙酮洗滌濾餅3次，以除去未反應的有機物和低聚物，然后用大量去離子水洗至濾液為pH=6左右。在80℃真空干燥至恒重，研磨成粉末，得到摻雜態聚苯胺。

(2) 取少量摻雜態聚苯胺，于1mol·L-1氨水中進行反摻雜，抽濾、干燥后得到本征態聚苯胺。

(3) 采用四探針測試儀，分別測量摻雜態聚苯胺及本征態聚苯胺的電阻率。

4.3 聚苯胺電化學活性測試

4.3.1 電化學法制備聚苯胺及電化學性能測試

(1) 以0.1mol·L-1苯胺、0.5mol·L-1硫酸溶液為電解液，以鉑電極分別作為工作電極和輔助電極，飽和甘汞為參比電極，采用電化學法制備聚苯胺，實驗參數由學生自行設計。

(2) 在0.5mol·L-1硫酸溶液中,采用循環伏安法測試上述聚苯胺的電化學活性，由學生自行設計電化學參數。

4.3.2 化學法制備的聚苯胺的電化學性能測試

(1) 聚苯胺修飾電極的制備：稱取0.05g本征態聚苯胺粉末，溶解于10mL DMF中，將鉑絲置于DMF溶液中，提拉成膜，然后放入快速紅外烘箱烘干。

(2) 對上述聚苯胺修飾電極進行電化學活性測試，由學生自行設計電化學參數。

4.4 電化學催化性能測試

(1) 考察Sb(Ⅲ)/Sb(Ⅴ)的氧化還原峰電流大小及峰電位：在含有HCl與SbCl3的溶液中進行循環伏安掃描(3mol·L-1HCl，2.5×10-3mol·L-1SbCl3)，掃描電位范圍為0～0.8V，掃描速度為0.05V·s-1。

(2) 電化學法制備聚苯胺：同步驟4.3.1中(1)。

(3) 聚苯胺電化學活性測試：在3mol·L-1鹽酸溶液中進行循環伏安掃描，掃描電位范圍為0～0.8V，掃描速度0.05V·s-1。

(4) 聚苯胺對Sb(Ⅲ)的催化氧化性能測試：在不同濃度SbCl3(2.5×10-3、5×10-3、7.5×10-3、1×10-3、1.25×10-2mol·L-1)溶液中進行循環伏安掃描。掃描電位范圍為0～0.8V，掃描速度0.05V·s-1。

4.5 聚苯胺氣敏性能測試

(1) 將化學法制備的聚苯胺滴涂到印刷碳電極表面，烘干后，將碳電極安裝到氣敏測試裝置上進行測試。

(2) 調節氣敏測試裝置上的三通活塞，使載氣N2通過檢測室，待電阻值穩定后，調節活塞，使載氣通過盛有氨氣的廣口瓶進入檢測室，記錄電阻值變化情況，反復測量3次。

4.6 數據記錄與結果討論

(1) 記錄不同摻雜程度聚苯胺的電導率，討論聚苯胺導電性與摻雜程度的關系。

(2) 記錄并分析兩種方法制備的聚苯胺的循環伏安性能，確定氧化電位和還原電位，分析聚苯胺的電化學行為，并對兩種方法制備的聚苯胺的電化學性能進行對比。

(3) 記錄鉑電極、聚苯胺修飾電極分別在空白溶液和含有Sb3+的溶液中的循環伏安曲線，確定氧化電位及氧化峰電流，分析聚苯胺對Sb3+電化學氧化的催化作用。記錄聚苯胺修飾電極在含有不同濃度Sb3+的溶液中的循環伏安曲線，分析催化電流與Sb3+濃度間的關系。

(4) 記錄聚苯胺電阻隨時間變化曲線，分析聚苯胺對氨氣響應的可逆性及聚苯胺對氨氣的響應機理。

4.7 思考題

提出以下問題供學生參考：

(1) 化學法制備聚苯胺時，如果將苯胺滴加到過硫酸銨溶液中，將會出現的結果。

(2) 試提出苯胺聚合的可能機理。

(3) 決定聚苯胺導電性的因素。

(4) 影響聚苯胺對氨氣響應的因素。

[1] 廖德仲,何節玉,毛立新,等.大學化學,2006,21(5):47

[2] 王伯康,王志林,孫爾康.大學化學,2001,16(2):25

[3] MacDiarmid A G.AngewChemIntEd,2001,40:2581

[4] Li D,Huang J,Kaner R.AccChemRes,2009,42(1):135

[5] Zhang L,Dong S.JElectroanalChem,2004,568:189

[6] Oyama N,Ohnuki Y,Chiba K,etal.ChemLett,1983，1759

[8] Gao Y,Yao S,Gong J.MacromolRapidCommun,2007,28(3):286