Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОХРОМНОЙ СИСТЕМЫ ПОЛИАНИЛИН/ГЕЛЬ-ЭЛЕКТРОЛИТ НА ОСНОВЕ СШИТОГО СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА'

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОХРОМНОЙ СИСТЕМЫ ПОЛИАНИЛИН/ГЕЛЬ-ЭЛЕКТРОЛИТ НА ОСНОВЕ СШИТОГО СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
122
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛЕКТРОХРОМНЫЕ УСТРОЙСТВА / ПОЛИАНИЛИН / POLYANILINE / ПОЛИМЕРНЫЕ ГЕЛЬ-ЭЛЕКТРОЛИТЫ / POLYMER GEL-ELECTROLYTES / СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННЫЕ ПОЛИМЕРЫ / HYPERBRANCHED POLYMERS / ELECTROCHROMIC DEVICES

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Ярмоленко О.В., Хатмуллина К.Г., Курмаз С.В., Грачев В.П., Ефимов О.Н.

Изучена совместимость полимерных гель-электролитов на основе сверхразветвленного полимера с электродом на основе полианилина в зависимости от времени хранения, предварительного смачивания пленки полианилина жидким органическим электролитом, а также проведено комплексное изучение сопротивления переноса заряда на границе ПГЭ/ПАни при изменении напряжения, при котором происходит переход одной формы полианилина в другую. Исследование границы полимерный электролит/полианилин проводили методом спектроскопии электрохимического импеданса при различной амплитуде сигнала переменного тока от 100 мВ до 1 В, используя симметричные ячейки с ПАни-электродами, нанесенными на Al-фольгу или стекла ITO. Найдено, что наибольшей проводимостью обладает полуокисленная соль эмеральдина (зеленого цвета), а наименее - эмеральдиновое основание (синего цвета). Максимальная разница токов обмена этих двух форм - 2 раза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Ярмоленко О.В., Хатмуллина К.Г., Курмаз С.В., Грачев В.П., Ефимов О.Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ELECTROCHEMICAL STUDIES OF ELECTROCHROMIC SYSTEM OF POLYANILINE/GEL ELECTROLYTE BASED ON CROSSLINKED HYPERBRANCHED POLYMERS

The compatibility of polymer gel electrolytes based on a hyperbranched polymer with a polyaniline-based electrode was investigated. Property of this interface according to the storage time, pre-wetting of polyaniline film with a liquid organic electrolyte were studied. The charge transfer resistance at electrolyte/PANI interface when the voltage at which the transition of polyaniline in other forms occurs were investigated. Study of polymer electrolyte polyaniline interface was carried out by electrochemical impedance spectroscopy at different amplitude of the AC signal from 100 mV to 1 V, using symmetrical cells with PANI-electrodes deposited on Al-foil or glass ITO. Found that the highest conductivity has semioxidized emeraldine salt (green), and the least - emeraldine base (blue). Maximum exchange current difference between these two forms - 2 times.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОХРОМНОЙ СИСТЕМЫ ПОЛИАНИЛИН/ГЕЛЬ-ЭЛЕКТРОЛИТ НА ОСНОВЕ СШИТОГО СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА»

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ

ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS

Статья поступила в редакцию 28.11.13. Ред. рег. № 1877

The article has entered in publishing office 28.11.13. Ed. reg. No. 1877

УДК 544.636/638

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОХРОМНОЙ СИСТЕМЫ ПОЛИАНИЛИН/ГЕЛЬ-ЭЛЕКТРОЛИТ НА ОСНОВЕ СШИТОГО СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА

О.В. Ярмоленко1, К. Г. Хатмуллина1, С. В. Курмаз1, 1 12 В.П. Грачев , О.Н. Ефимов , А.Л. Гусев

'Институт проблем химической физики РАН 142432 г.Черноголовка, Московская обл., пр. Акад. Семенова, д. 1 Тел.: 8 (496) 522-56-25, e-mail: oyarm@icp.ac.ru 2ООО Научно-технический центр «ТАТА» 607188 Саров, Нижегородская обл., ул. Московская, д. 29 Тел.: +7 (83130) 9-18-46; факс: +7 (83130) 9-07-08; e-mail: gusev@hydrogen.ru

Заключение совета рецензентов: 05.12.13 Заключение совета экспертов: 10.12.13 Принято к публикации: 15.12.13

Изучена совместимость полимерных гель-электролитов на основе сверхразветвленного полимера с электродом на основе полианилина в зависимости от времени хранения, предварительного смачивания пленки полианилина жидким органическим электролитом, а также проведено комплексное изучение сопротивления переноса заряда на границе ПГЭ/ПАни при изменении напряжения, при котором происходит переход одной формы полианилина в другую. Исследование границы полимерный электролит/полианилин проводили методом спектроскопии электрохимического импеданса при различной амплитуде сигнала переменного тока от 100 мВ до 1 В, используя симметричные ячейки с ПАни-электродами, нанесенными на Al-фольгу или стекла ITO. Найдено, что наибольшей проводимостью обладает полуокисленная соль эмераль-дина (зеленого цвета), а наименее - эмеральдиновое основание (синего цвета). Максимальная разница токов обмена этих двух форм - 2 раза.

Ключевые слова: электрохромные устройства, полианилин, полимерные гель-электролиты, сверхразветвленные полимеры.

ELECTROCHEMICAL STUDIES OF ELECTROCHROMIC SYSTEM OF POLYANILINE/GEL ELECTROLYTE BASED ON CROSSLINKED HYPERBRANCHED POLYMERS

O.V. Yarmolenko1, K.G. Khatmullina1, S.V. Kurmaz1, V.P. Grachev1, O.N. Efimov1, АХ. Gusev2

1Institute of Problems of Chemical Physics RAS 1 Acad. Semenov ave., Chernogolovka, Moscow reg., 142432, Russia Tel.: 8 (496) 522-56-25, e-mail: oyarm@icp.ac.ru 2Scientific Technical Centre "TATA" 29 Moscow str., Sarov, Nizhny Novgorod reg., 607181, Russia Tel.: +7 (83130) 9-18-46; fax: +7 (83130) 9-07-08; e-mail: gusev@hydrogen.ru

Referred: 05.12.13 Expertise: 10.12.13 Accepted: 15.12.13

The compatibility of polymer gel electrolytes based on a hyperbranched polymer with a polyaniline-based electrode was investigated. Property of this interface according to the storage time, pre-wetting of polyaniline film with a liquid organic electrolyte were studied. The charge transfer resistance at electrolyte/PANI interface when the voltage at which the transition of polyaniline in other forms occurs were investigated. Study of polymer electrolyte polyaniline interface was carried out by electrochemical impedance spectroscopy at different amplitude of the AC signal from 100 mV to 1 V, using symmetrical cells with PANI-electrodes deposited on Al-foil or glass ITO. Found that the highest conductivity has semioxidized emeraldine salt (green), and the least - emeraldine base (blue). Maximum exchange current difference between these two forms - 2 times.

Keywords: electrochromic devices, polyaniline, polymer gel-electrolytes, hyperbranched polymers.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 14 (136) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Введение

Полимерные электролиты используются во многих электрохимических системах. В настоящее время одним из важных применений являются электро-хромные устройства под названием «умные стекла», рынок которых только зарождается. Они могут использоваться в архитектурном, автомобильном, авиационном, железнодорожном остеклении и др. Создание электрохромных устройств, работающих в широком интервале температур, требует использования полимерных электролитов. Для оптимизации их работы важно знать параметры совместимости полимерных электролитов с электрохромными материалами, используемыми в качестве электродов. Одним из перспективных материалов электрохромного электрода является полианилин (ПАни).

Среди различных проводящих полимеров полианилин занимает особое место, так как в результате высокой химической и термической устойчивости на воздухе и доступности получения он является весьма перспективным материалом для практического использования. В своем протонированном состоянии (эмеральдин - соль) он обладает собственной ионной и электронной проводимостью [1] и электрохимической емкостью [2].

В то же время большое значение имеют исследования различных свойств полианилина, отражающих его сложную внутреннюю реорганизацию. Полианилин состоит из повторяющихся М-фенил-п-фенилендиаминных и хинондииминных блоков. В зависимости от их соотношения различают лейко-эмеральдин, пернигранилин и эмеральдин. Два последних существуют в форме соли и основания. Лей-коэмеральдин представляет собой бесцветное вещество, медленно окисляющееся на воздухе, пернигра-нилин и его соль - неустойчивые сине-лиловые соединения, а эмеральдиновое основание - темно-фиолетовое вещество, которое при протонировании сильными кислотами дает соль зеленого цвета с проводимостью около 1 См/см и выше.

В данной работе стояла цель исследовать границу полианилина с полимерным электролитом на основе сверхразветвленного полимера и жидкого органического электролита состава 1М ЫС104 в пропилен-карбонате методом электрохимического импеданса.

Ранее метод электрохимического импеданса применяли для исследования полианилина [3]. Но целью этих работ было в основном изучение свойств самого полианилина, его поведение в кислотной среде [4, 5], влияние морфологии [6, 7], его электросинтез на различных электродах [8], электрохимическое старение пленок ПАни [9] и др. Изучение границы электрода из полианилина с полимерным электролитом на основе сверхразветвленного полимера ранее не проводилось.

Использование в гель-электролитах сверхраз-ветвленных полимеров (СРП) обусловлено их уникальными свойствами, отличающими СРП от линей-

ных полимеров. Это повышенная растворимость и термодинамическая совместимость, низкая вязкость растворов, способность СРП служить в качестве на-ноконтейнеров для гостевых молекул в процессе их межфазной транспортировки.

Ранее было проведено [10] комплексное исследование физико-химических свойств полимерных гель-электролитов на основе СРП и 1М ЫС104 раствора в пропиленкарбонате в зависимости от состава. Найдена оптимальная концентрация каждого компонента, при которой ионная проводимость максимальна. Именно данный состав был выбран для дальнейшего исследования на совместимость с полианилином.

В настоящей работе представлены результаты изучения зависимости электрохимических свойств границы ПАни/гель-электролит от времени хранения, предварительного смачивания сухой пленки полианилина жидким органическим электролитом, а также зависимости сопротивления переноса заряда на границе от амплитуды сигнала переменного тока - приложенного потенциала, при котором происходит переход одной формы полианилина в другую.

Экспериментальная часть

Синтез полимерных гель-электролитов Полимерные гель-электролиты получали методом радикальной сополимеризации метилметакрилата (ММА), диметакрилата триэтиленгликоля (ТГМ-3) и макромономера (СРПМ), представляющего собой СРП на основе ММА и метакриловой кислоты (МАК). Макромономер синтезировали трехмерной радикальной сополимеризацией смеси ММА/МАК в весовом соотношении 10/1 с диметакрилатом эти-ленгликоля (ДМЭГ), контролируемой агентом передачи цепи - 1-декантиолом по методу, описанному в работе [11]. Содержание разветвителя - ДМЭГ и 1-декантиола составляло 12 мол.% относительно смеси мономеров ММА+МАК. Условия синтеза СРПМ: Т = 80 °С, время синтеза 5,5 ч, инициатор -азобисизобутиронитрил (АИБН) в количестве 0,02 моль/л, растворитель - толуол - 20 мас.%. Полученные полимеры сушили в вакууме при комнатной температуре до постоянного веса. Методом ИК-спектроскопии определено содержание остаточных двойных связей, которое составляет около одной на молекулу СРПМ.

Структура сверхразветвленного полимера

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 14 (136) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Тонкие пленки гель-электролита получали путем проведения полимеризации in situ в системе, содержащей 1М раствор LiClO4 в пропиленкарбонате (ПК), в присутствии радикального инициатора АИБН при температуре 60 °С в течение 20 ч в плоских формах размером 10x10x0,5 см, изготовленных из двух силикатных стекол с фиксированным зазором.

Состав гель-электролита был определен на предыдущем этапе исследования и имел самую высокую проводимость (9-10-4 См/см) при комнатной температуре [10]:

- жидкий электролит 1М LiClO4 в пропиленкарбонате - 70 мас.%;

- метилметакрилат - 6 мас.%;

- сверхразветвленный полимер на основе ММА и метакриловой кислоты - 20 мас.%;

- диметакрилат этиленгликоля - 4 мас.%;

- инициатор радикальной полимеризации - азо-изобисбутиронитрил - 0,164 мас.%.

Синтез электродов на основе полианилина

Раствор полианилина в муравьиной кислоте отливали на подложку из алюминиевой фольги или на стекло ITO методом центрифугирования. Затем сушили до полного удаления кислоты. Получали тонкие пленки ПАни синего цвета (эмеральдин - основание).

Метод исследования сопротивления на границе гель-электролит/полианилин

Совместимость ПГЭ с электродами на основе ПАни изучали методом спектроскопии электрохимического импеданса в диапазоне частот от 350 кГц до 1 Гц при различной амплитуде сигнала переменного тока от 100 мВ до 1 В, используя симметричные ячейки с ПАни-электродами, нанесенными на Al-фольгу и стекла ITO.

Результаты и обсуждение

Работа проводилась в 2 этапа. Сначала исследовали совместимость границы гель-электролит/ПАни, который находится в первоначальной форме. При этом использовали обычную для исследования методом импеданса амплитуду сигнала переменного тока 100 мВ. Целью работы было сравнить совместимость ПГЭ и ПАни:

- во время хранения;

- без и при обработке поверхности ПАни-электрода раствором жидкого электролита 1М LiClO4 в ПК для лучшего контакта ПГЭ/ПАни. В этом эксперименте использовали ПАни, нанесенный на Al-фольгу.

На рис. 1 приведены годографы импеданса ячейки ПГЭ/ПАни без обработки жидким электролитом, снятые сразу после сборки (а) и через 7 суток после хранения при комнатной температуре в темноте (b).

a b

Рис. 1. Годограф импеданса ячейки ПГЭ/ПАни без обработки, снятый в первый день (а) и через 7 суток (b) Fig. 1. Hodograph impedance of PGE/PAN cell without treatment in the first day (a) and after 7 days (b)

На рис. 2 приведены аналогичные годографы для ячейки ПГЭ/полианилин, обработанный 1М ЫС104 в ПК. Данные годографы имеют одинаковую форму, но различаются наклоном низкочастотной зависимости.

a b

Рис. 2. Годограф импеданса ячейки ПГЭ/ПАни, обработанный жидким электролитом 1М LiClO4 в ПК, снятый в первый день (а), через 7 суток (b) Fig. 2. Hodograph impedance of PGe/PAN cell treated by liquid electrolyte 1M LiClO4 in PC, in the first day (a), after 7 days (b)

Вид данных годографов согласуется с годографами ячеек с электродом на основе полианилина, полученными в работе [12]. Из анализа литературных данных [13] эквивалентная схема процесса переноса заряда на данной границе должна состоять из следующих элементов: R1 - сопротивление полимерного электролита; C1 - емкость двойного слоя; R2 -сопротивление переноса заряда на границе электролит/электрод; C2 - емкость пленки полианилина; R3 - сопротивление пленки полианилина; CPE1 -угол сдвига фаз (относительно R2); CPE2 - угол сдвига фаз относительно С1.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 14 (136) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

В работах по изучению электрохимического импеданса систем на основе полианилина, где рассматривается граница полианилин/электролит в различных модификациях, отмечается, что определение эквивалентной схемы в таких системах затруднительно [14].

Рис. 3. Эквивалентная схема для годографов импеданса ячейки ПАни/ПГЭ/ПАни без и с обработкой жидким электролитом, снятых при 100 мВ Fig. 3. Equivalent circuits for the hodograph impedance of PAN/PGE/PAN with and without liquid electrolyte treatment shot at 100 mV

В данной работе предлагается эквивалентная схема (рис. 3), которая описывает оба вида годографа (рис. 1 и 2). Ниже приведены расчеты по программе ZView2 (табл. 1).

Таблица 1

Расчет параметров эквивалентной схемы

Table 1

Calculation of the equivalent circuit parameters

Параметр Ячейка ПГЭ/ПАни

без обработки c обработкой

t = 0 t= 7 суток t = 0 t= 7 суток

R1, Ом 63 185 30 50

C1, Ф 0,039 0,0001 0,03 0,0006

R2, Ом 1630 27000 2400 24000

C2, Ф 0,0008 0,05 0,000005 0,035

R3, Ом 650 100 950 100

CPE1-T, Ом 0,141 0,01 0,1 0,006

CPE1-P 1 0,86 1 0,9

CPE2-T, Ом 0,0134 0,00000001 0,014 0,00000001

CPE2-P 1 0,05 0,95 0,04

Примечание: СРЕ-Р - безразмерная величина, равна тангенсу угла наклона (при СРЕ-Р = 1 подразумевается, что никакой диффузии не происходит, т.к. сопротивление довольно велико. При СРЕ-Р = 0,5 эта величина сходна с элементом Варбурга. При СРЕ-Р ^ 0,05 диффузия заряженных частиц практически не ограничена сопротивлением, которое через 7 суток становится минимальным - 10-8 Ом).

Из табл. 1 видно, что обработка жидким электролитом поверхности ПАни сильно влияет на три параметра:

- Сопротивление самого полимерного электролита (Я1) уменьшается в 2 раза, что говорит о том, что жидкий электролит с поверхности электрода впитался в полимерный электролит на основе сверхразветвленного полимера, тем самым повысив его собственную проводимость за счет увеличения жидкой фазы. Со временем данный эффект сохраняется.

- Сопротивление переноса заряда (Я2) на границе электрод/электролит увеличилось в 1,5 раза (непосредственно при сборке). Через 7 суток картина меняется, и сопротивление переноса заряда при обработке становится меньше, чем на необработанной границе ПАни.

- Емкость двойного слоя мало отличается на начальном этапе, но при хранении в течение 7 суток она уменьшается на 2 порядка.

Сопротивление самой пленки полианилина уменьшается в контакте с полимерным гель-электролитом независимо от обработки.

Данные эффекты могут быть объяснены следующим. Во время выдержки в течение 7 суток ПГЭ на основе сверхразветвленного полимера, которое имеет в своих порах большое количество жидкого органического электролита, способствует «смачиванию» сухой пленки полианилина. При этом исходная форма полианилина переходит в другую, т.к. в нее внедряются катионы Ы+. Это не только вызывает снижение сопротивления пленки полианилина, но также уменьшает емкость двойного электрического слоя (почти на 2 порядка величины).

Сопротивление переноса заряда на границе поли-анилин/1 II Э возрастает практически на порядок, по-видимому, из-за потери жидкой фазы и структурирования геля, что ведет к потере проводимости в объеме ПГЭ (в 2 раза) и за счет морфологических изменений самого полианилина. В целом же система при условии ее герметизации сохраняет свои электрохимические свойства.

Вторым этапом работы явилось исследование границы ПГЭ/ПАни при наложении различной амплитуды переменного тока от 50 до 1000 мВ. При изменении напряжения происходит переход одной формы полианилина в другую, и вызывает несомненный интерес изучить совместимость границы ПГЭ/ПАни в условиях работы электрохромного устройства, приближенных к реальным. Для данного исследования использовали ячейки с использованием в качестве электродов прозрачных стекол 1Т0 и наблюдали изменение окраски в ходе эксперимента. На рис. 4 представлены годографы импеданса ячейки 1Т0/ПАни/ПГЭ/ПАни/1Т0 при наложении различных потенциалов

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 14 (136) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

-ImZ, Ohm 150-

100- ■ 50- /

О-!- ^ ■-г-

100

■ ■■ ■

\

200

300 400

ReZ, Ohm

-ImZ, Ohm

100-1

50 -

N

-1-'-г

100

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

—I-1-1-■-1

200 г, , ^u 300

ReZ, Ohm

b

a

-ImZ, Ohm 150-1

100-

50-

/

100

\

--1-I-Г"

200

300 ' '"400 ReZ, Ohm

-ImZ, Ohm 100-

50-

V

0 —i 100

_1----J--,-1-,-1

200 300

ReZ, Ohm

d

-ImZ, Ohm 100-1

50-

\

100

150

200 250

ReZ, Ohm

-ImZ, Ohm 100H

50-

L

100

150

\

200 250

ReZ, Ohm

Рис. 4. Годографы импеданса ячейки 1ТО/ПАни/ПГЭ/ПАни/1ТО при наложении различных потенциалов: a - 0,05 В; b - 0,1 В; c - 0,25 В; d - 0,5 В; e - 0,75 В; f - 1,0 В Fig. 4. Hodographs impedance of ITO/PAN/PGE/PAN/ITO cell upon application of different potentials: a - 0.05 V; b - 0.1 V; c - 0.25 V; d - 0.5 V; e - 0.75 V; f - 1.0 V

c

e

При измерении импеданса ячейки при 0,05 и 0,1 В цвет ПАни сохранялся, что говорит о сохранении исходной формы ПАни-основания.

1У~-

//

YJ)

Но уже после второго измерения (при 0,1 В) ячейка окрасилась в светло-зеленый цвет, что, по литературным данным, свидетельствует о переходе ПАни-основания в его соль с проводимостью до 1 См/см. Для эмеральдин соли У = 0,5.

При дальнейших измерениях (при повышении потенциала до 0,75 В) полианилин оставался окрашенным в светло-зеленый цвет. При таких измерениях полианилин сохраняется в виде соли [15].

При рассмотрении годографов ячейки 1Т0/ПАни/ПГЭ/ПАни/1Т0 при потенциалах 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 0,75 В видно, что на высокочастотном участке (начало полуокружности) наблюдается еще

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 14 (136) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

одна малая полуокружность, которую можно отнести к проводящему слою полианилина. Эквивалентная схема в этих случаях представлена на рис. 5.

R1

R2

ncrtr^

R3

Рис. 5. Эквивалентная схема для годографов импеданса ячейки 1ТО/ПАни/ПГЭ/ПАни/1ТО, где: R1 - сопротивление электролита; R2 - сопротивление ПАни; С1 - емкость ПАни; R3 - сопротивление переноса заряда на границе ПАни/ПГЭ; С2 - емкость двойного слоя Fig. 5. Equivalent circuit for the impedance hodograph of ITO/PAN/PGE/PAN/ITO cell, where R1 - electrolyte resistance; R2 - PAN resistance; С1 - PAN capacity; R3 - charge transfer resistance at the interface PAN/PGE; С2 - double layer capacitance

Результаты расчета удельного сопротивления переноса заряда на границе ПГЭ/ПАни по эквивалентным схемам (рис. 5, 6) представлены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что самый высокий ток обмена на границе ПГЭ/ПАни достигается при наложении потенциала 1,0 В. При анализе изменения окраски ПАни и величины тока обмена на границе ПГЭ/ПАни можно сделать вывод о взаимосвязи сопротивления переноса заряда на границе и формы полианилина. Чем выше проводимость формы полианилина, тем выше ток обмена на его границе с полимерным гель-электролитом. Таким образом, наибольшей проводимостью обладает полуокисленная соль эмеральдина (зеленого цвета), а наименьшей - эмеральдиновое основание (синего цвета). Максимальное отношение токов обмена этих двух форм - 2.

При измерении импеданса ячейки 1Т0/ПАни/ПГЭ/ПАни/1Т0 при потенциале 1,0 В происходит изменение цвета полианилина с зеленого на синий, что свидетельствует о промежуточном состоянии ПАни перед переходом его в пернигранилин со степенью превращения больше 0,5. На полученном годографе первой малой полуокружности не наблюдалось. Годограф рассчитывали по эквивалентной схеме, представленной на рис. 6.

Рис. 6. Эквивалентная схема для годографа импеданса ячейки 1ТО/ПАни/ПГЭ/ПАни/1ТО при потенциале 1,0 В, где R1 - сопротивление электролита; R2 - сопротивление переноса заряда на границе ПАни/ПГЭ; С1 - емкость двойного слоя Fig. 6. Equivalent circuit for the impedance hodograph of ITO/PAN/PGE/PAN/ITO cell at potential 1.0 V, where R1 - electrolyte resistance; R2 - charge transfer resistance at the interface PAN/PGE; С1 - double layer capacitance

Таблица 2

Сопротивление переноса заряда и ток обмена на границе ПГЭ/ПАни при различных степенях окисления полианилина

Table 2

Charge transfer resistance and the exchange current on the PGE/PAN border at the different oxidation states of polyaniline

Потенциал, В Rf, Ом i0, А/см2, n = 0,5*

0,05 257 3,93-10"4

0,10 170 5,94-10-4

0,25 305 3,3110-4

0,50 197 5,1310-4

0,75 164 6,16-10"4

1,00 152 6,64-10"4

*При расчете тока обмена считали, что количество электронов, участвующих в одном элементарном акте, равно 0,5.

Заключение

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

Во время выдержки (7 суток) ПГЭ на основе сверхразветвленного полимера способствует «смачиванию» сухой пленки полианилина за счет большого количества жидкого органического электролита. Показано, что это не только вызывает снижение сопротивления пленки ПАни, но также уменьшает емкость двойного электрического слоя (почти на 2 порядка величины). Сопротивление переноса заряда на границе ПАни/ПГЭ возрастает практически на порядок, по-видимому, из-за потери жидкой фазы и структурирования геля, что ведет к потере проводимости в объеме ПГЭ (в 2 раза), и за счет морфологических изменений самого полианилина.

При изучении границы ПГЭ/ПАни при различных потенциалах найдено, что самый высокий ток обмена на границе ПГЭ/ПАни при наложении 1,0 В. Показано, что существует взаимосвязь сопротивления переноса заряда на границе ПГЭ/ПАни и формы полианилина. Чем в более проводящей форме находится полианилин, тем выше ток обмена на его границе с полимерным гель-электролитом. Таким образом, наибольшей проводимостью обладает полианилин, находящийся в более чем наполовину окисленном состоянии, перед тем как он переходит в пернигранилин. Это полуокисленная соль эмеральдина (зеленого цвета). Исходное состояние - наименее проводящая форма эмеральдиновое основание (синего цвета). Максимальное отношение токов обмена этих двух форм - 2.

Работа выполнена в рамках ГК от 14 октября 2013 г. № 14.513.11.0127 «Разработка принципиально новых элек-трохромных наноструктурированных материалов с дистанци-онно-управляемыми свойствами с повышенным временем эксплуатации для применения в авиационной и космической технике» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по лоту «Выполнение поисковых научно-исследовательских работ по теме: «Наноструктурированные материалы с дис-танционно-управляемыми свойствами» шифр «2013-1.3-14513-0120» (Мероприятие 1.3 -I X очередь).

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 14 (136) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Список литературы

References

1. Skotheim T.A., Elsenbaumer R.L., Reynolds J.R. Handbook of conducting polymers. Marcel Dekker, Inc., New York - Basel - Hong Kong, Second Edition, 1998.

2. Kinlen P.J., Liu J., Ding Y., Graham C.R., Remsen E.E. Emulsion polymerization process for organically soluble and electrically conducting polyaniline // Macromolecules. 1998. Vol. 31, No. 6, 24. P. 1735-1744.

3. Yongbin W., Renkuan Y., Hong Y, Zhonghui Ch. Theoretical and experimental studies of conducting polymer polyaniline/electrolyte interface by impedance spectroscopy // Synthetic Metals. 1993. Vol. 55, No. 2-3. P. 1501-1508.

4. Deslouis C., Musiani M.M., Tribollet B. An ac and electrohydrodynamical (EHD) impedance investigation of redox processes occurring at polyaniline-coated electrodes // Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 1989. Vol. 264, No. 1-2. P. 57-76.

5. Girija T.C., Sangaranarayanan M.V. Investigation of polyaniline-coated stainless steel electrodes for electrochemical supercapacitors // Synthetic Metals. 2006. Vol. 156. P. 244250.

6. Roßberg K., Paasch G., Dunsch L., Ludwig S. The influence of porosity and the nature of the charge storage capacitance on the impedance behavior of electropolymerized polyaniline films // Journal of Electroanalytical Chemistry. 1998. Vol. 443, No. 1. P. 49-62.

7. Qaiser A.A., Hyland M.M., Patterson D.A. Membrane potential and impedance studies of polyaniline composite membranes: Effects of membrane morphology // Journal of Membrane Science. 2011. Vol. 385-386. P. 67-75.

8. Sarac A.S., Ates M., Kilic B. Electrochemical Impedance Spectroscopic Study of Polyaniline on Platinum, Glassy Carbon and Carbon Fiber Microelectrodes // Int. J. Electrochem. Sci. 2008. Vol. 3. P. 777-786.

9. Marmisolle W.A., Florit M.I., Posadas D. Electrochemically induced ageing of polyaniline. An electrochemical impedance spectroscopy study // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2012. Vol. 673. P. 65-71.

10. Ярмоленко О.В., Хатмуллина К.Г., Курмаз С.В., Батурина А.А., Бубнова М.Л., Шувалова Н.И., Грачев В.П., Ефимов О.Н. Новые литийпроводящие гель-электролиты, содержащие сверхразветвленный полимер // Электрохимия. 2013. Т. 49, № 3. C. 252-258.

11. Курмаз С.В., Грачев В.П., Кочнева И.С., Перепели-цина Е.О., Эстрина Г. А. Cинтез, структура, свойства разветвленных полиметакрилатов // Высокомолекулярные соединения, А. 2007. Т. 49, № 8. С. 1480-1493.

12. Dias H.V.R., Rajapakse R.M.G., Krishantha D.M.M., Fianchini M., Wang X., Elsenbaumer R.L. Eco-friendly synthesis of highquality polyanilne using a copper(II) scorpionate catalyst // J. Mater. Chem. 2007. Vol. 17. P. 1762-1768.

13. Жужельский Д.В., Иванов В.Д., Малев В.В. Электрохимическое изучение пленок полианилина, сформированных на ITO-подложке при катодном восстановлении кислорода // Электрохимия. 2006. Т. 42, № 7. С. 782-790.

14. Inzelt G., Lang V., Kertesz J. Bacskai. Effect of the temperature on the conductivity and capacitance of poly(aniline) film electrodes // Electrochima Acta. 1993. Vol. 38, No. 17. P. 2503-2510.

15. Бондаренко В.Е., Журавлева Т.С., Мисуркин И.А. и др. Релаксация импульсного фототока в полианилине // Хим. физика. 1999. Т. 18, № 2. С. 36-44.

1. Skotheim T.A., Elsenbaumer R.L., Reynolds J.R. Handbook of conducting polymers. Marcel Dekker, Inc., New York - Basel - Hong Kong, Second Edition, 1998.

2. Kinlen P.J., Liu J., Ding Y., Graham C.R., Remsen E.E. Emulsion polymerization process for organically soluble and electrically conducting polyaniline // Macromolecules. 1998. Vol. 31, No. 6, 24. P. 1735-1744.

3. Yongbin W., Renkuan Y., Hong Y, Zhonghui Ch. Theoretical and experimental studies of conducting polymer polyaniline/electrolyte interface by impedance spectroscopy // Synthetic Metals. 1993. Vol. 55, No. 2-3. P. 1501-1508.

4. Deslouis C., Musiani M.M., Tribollet B. An ac and electrohydrodynamical (EHD) impedance investigation of redox processes occurring at polyaniline-coated electrodes // Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 1989. Vol. 264, No. 1-2. P. 57-76.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Girija T.C., Sangaranarayanan M.V. Investigation of polyaniline-coated stainless steel electrodes for electrochemical supercapacitors // Synthetic Metals. 2006. Vol. 156. P. 244250.

6. Roßberg K., Paasch G., Dunsch L., Ludwig S. The influence of porosity and the nature of the charge storage capacitance on the impedance behavior of electropolymerized polyaniline films // Journal of Electroanalytical Chemistry.

1998. Vol. 443, No. 1. P. 49-62.

7. Qaiser A.A., Hyland M.M., Patterson D.A. Membrane potential and impedance studies of polyaniline composite membranes: Effects of membrane morphology // Journal of Membrane Science. 2011. Vol. 385-386. P. 67-75.

8. Sarac A.S., Ates M., Kilic B. Electrochemical Impedance Spectroscopic Study of Polyaniline on Platinum, Glassy Carbon and Carbon Fiber Microelectrodes // Int. J. Electrochem. Sci. 2008. Vol. 3. P. 777-786.

9. Marmisolle W.A., Florit M.I., Posadas D. Electrochemically induced ageing of polyaniline. An electrochemical impedance spectroscopy study // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2012. Vol. 673. P. 65-71.

10. Ärmolenko O.V., Hatmullina K.G., Kurmaz S.V., Baturina А.А., Bubnova M.L., Suvalova N.I., Gracev V.P., Efimov O.N. Novye litijprovodasie gel'-elektrolity, soderzasie sverhrazvetvlennyj polimer // Elektrohimia. 2013. T. 49, № 3. C. 252-258.

11. Kurmaz S.V., Gracev V.P., Kocneva I.S., Perepelicina E.O., Estrina G.A. Cintez, struktura, svojstva razvetvlennyh polimetakrilatov // Vysokomolekularnye soedinenia, А. 2007. T. 49, № 8. S. 1480-1493.

12. Dias H.V.R., Rajapakse R.M.G., Krishantha D.M.M., Fianchini M., Wang X., Elsenbaumer R.L. Eco-friendly synthesis of highquality polyanilne using a copper(II) scorpionate catalyst // J. Mater. Chem. 2007. Vol. 17. P. 17621768.

13. Zuzel'skij D.V., Ivanov V.D., Malev V.V. Elektrohimiceskoe izucenie plenok polianilina, sformirovannyh na ITO-podlozke pri katodnom vosstanovlenii kisloroda // Elektrohimia. 2006. T. 42, № 7. S. 782-790.

14. Inzelt G., Lang V., Kertesz J. Bacskai. Effect of the temperature on the conductivity and capacitance of poly(aniline) film electrodes // Electrochima Acta. 1993. Vol. 38, No. 17. P. 2503-2510.

15. Bondarenko V.E., Zuravleva T.S., Misurkin I.A. i dr. Relaksacia impul'snogo fototoka v polianiline // Him. fizika.

1999. T. 18, № 2. S. 36-44.

Транслитерация по ISO 9:1995

с---* — TATA — (_XJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 14 (136) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.