CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ ÔXY HÒA TAN . 3
1.4 Giới thiệu về polyaniline
Polyaniline (PANI) là loại polyme dẫn điện, tồn tại trong nhiều dạng khác nhau về hóa học và vật lý. Tùy thuộc vào phương pháp chuẩn bị, polyaniline có thể tồn tại trong dạng khử hoàn toàn (leuco-emeraldine), dạng khử một nửa (emeraldine) và dạng ôxy hóa hoàn toàn (pernigraniline).
1.4.1Cấu trúc củaPANI
Cấu trúc của PANI ngày nay vẫn còn là vấn đề cần nghiên cứu. Cũng giống như polyme dẫn điện khác PANIcũng có trạng thái ôxy hoá - khử, tuy nhiên trạng thái ôxy hoá của nó bền hơn. Tùy vào điều kiện tổng hợp mà PANIcó các cấu trúc và tính chất khác nhau. Hiện nay, các nhà khoa học chấp nhận PANIcó cấu trúc nhưHình 1.18[15].
Hình 1. 18Cấu trúc của các dạng PANI[15]
Bảng 1. 4 Các dạng PANI [16]
Giá trị
n Tên gọi Màu sắc Độ dẫn
(S.cm -1 ) 1 Polyaniline Leucoemeraldine Base (PANI-LB) Không màu <10 -5 0,5 PolyanilineEmeraldine Base (PANI-EB) Xanh dương <10 -5 0 PolyanilinePernigraniline Base (PANI-PB) Tím <10 -5 PolyanilineEmeraldine Salt (PANI-ES) Xanh lá cây ≈15 Trạng thái khử hoàn toàn (n= 1) là PolyanilineLeucoemeraldine Base (PANI-LB) màu trắng.
Trạng thái ôxy hoá -khử (n=0,5) là PolyanilineEmeraldine Base (PANI-EB) màu xanh dương. Đây là hình thức phổ biến của PANI.
Trạng thái ôxy hoá hoàn toàn (n=0) là PolyanilinePernigraniline Base (PANI-PB) màu xanh tím.
Một dạng khác của PANIlà PolyanilineEmeraldine Salt (PANI-ES) có màu xanh lá cây. Dạng này là sản phẩm của quá trình pha tạp HCl vào PANI-EB. Đây là dạng dẫn điện tốt nhất trong các dạng của PANI, tuy nhiên nhược điểm của nó là khó tan trong các dung môi thông thườngvà khi ngâm trong dung dịch muối để thử nghiệm do ở dạng muối nên sẽ tan và cho tín hiệu không ổn định[16].
1.4.2 Cơ chế dẫn điện của PANI
Cơ chế dẫn điện ở Hình 1.19 có thể được giải thích một cách định tính cơ chế dẫn điện của polyme hayPANI, khi dopant A nhận một điện tử, một lỗ trống (+) xuất hiện. Khi một dòng điện áp vào polyme hay PANI, điện tử π của nguyên tố C bên cạnh nhảy vào lỗ trống này và cứ tiếp diễn như thế. Sự di chuyển của điện tử chỉ là sự di chuyển ngắn, nhưng nhờ sự di chuyển này lỗ trống (+) liên tục di động dọc theo mạch PANI. Lỗ trống này là một phần polaron hay bipolaron. Sự di động của lỗ trống xác nhận polaron/bipolaron là một thực thể tải điện và là nguyên nhân của sự dẫn điện giống như điện tử trong kim loại.
Hình 1. 19Mô tả sự chuyển động điện tử và lỗ trống
Quá trình pha tạp tạo nên sự khác biệt về độ dẫn điện giữa dạng PANI-EB và PANI-LB,là quá trình đưa thêm một số tạp chất hay tạo ra một số sai hỏng làm thay đổi đặc tính dẫn điện của các polyme và tạo ra bán dẫn loại nhoặc p tuỳ thuộc vào loại phụ gia đưa vào. Pha tạp có thể tiến hành theo các phương pháp: điện hóa, hóa học, pha tạp không chất pha tạp (dopant), pha tạp ôxy hóa khử.
1.4.3 Tính chất của PANI 1.4.3.1 Tính chất hóa học
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất hóa học mạnh nhất của PANIlà thuộc tính trao đổi anion và khác biệt với những polyme trao đổi ion thông thường[14, 15, 17]. Lý do có thể do sự phân tán điện tích trên PANI. Ảnh hưởng của cấu hình điện tích cũng đã được nghiên cứu khi xảy ra tương tác axit amin vớiPANI. Nếuhai axit amin với mật độ điện tích tương tự, nhưng các cấu hình phân tử khác nhau thì khả năng tương tác với PANIsẽ khác nhau.
1.4.3.2 Tính chất quang học
PANIcó đặc tính điện sắc vì màu của nó thay đổi do phản ứng ôxy hoá khử của màng. Người ta đã chứng minh rằng PANIthể hiện nhiều màu từ vàng nhạt đến xanh lá cây, xanh sẫm và tím đen tùy vào phản ứng ôxy hoá khử ở các thế khác nhau[14].
1.4.3.3 Tính dẫn điện
PANIcó thể tồn tại cả ở trạng thái cách điện và cả ở trạng thái dẫn điện. Độ dẫn điện của PANIphụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm cũng như phụ thuộc vào cả dung môi.
Ngoài ra, điều kiện tổng hợp có ảnh hưởng đến việc hình thành sai lệch hình thái cấu trúc polyme, vì vậy làm thay đổi tính dẫn điện của vật liệu. Tuy nhiên độ dẫn điện của PANIphụ thuộc nhiều nhất vào mức độ pha tạp proton. Ví dụ đối với PANI-EB khi pha tạp HCl, ion Cl - sẽ lấy một điện tử trong cặp điện tử chưa dùng của Nitơ liên kết với vòng benzene làm xuất hiện lỗ trống dương liên hợp linh động có thể dịch chuyển tự do trong mạch polyme hoặc dịch chuyển giữa các mạch. Chính điều này đã làm tăng độ dẫn của PANIso với trước khi pha tạp.
1.4.3.4 Hòa tan PANI
PANIlà một polyme dẫn điện tốt, tuy nhiên có một đặc điểm của PANIlà khả năng hòa tan kém của nó.PANIkhôngtantrong hầu hết các dung môi, nó chỉ tan trong một số dung môi phân cực như:
- Dimethylsulfoxide(DMSO) - Dimethylformamide(DMF) - N-Methyl-2-pyrrolidone(NMP)
Trong đó, DMSO là dung môi có ưu điểm:
- Là một dung môi phân cực hòa tan cả các hợp chất phân cực lẫn không phân cực và có thể trộn lẫn trong một loạt các dung môi hữu cơ cũng như nước.