Исследование синтезированных полупроводниковых полимеров

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены физико-химические свойства полупроводникового полимера, синтезированного методом окислительной полимеризации. Состав, структура, химическая связь и функциональные группы синтезированного полупроводникового полимера были проанализированы с помощью ИК-спектроскопического и элементного анализов.

ABSTRACT

The article discusses the physicochemical properties of a semiconductor polymer synthesized by the method of oxidative polymerization. The composition, structure, chemical bonding and functional groups of the synthesized semiconducting polymer were analyzed using IR spectroscopic and elemental analysis.

Ключевые слова: анилин, пероксидисульфат аммония, полимер, ИК-спектроскопия, элементный анализ, полианилин, полупроводниковый полимер.

Keywords: aniline, ammonium peroxydisulfate, polymer, infrared spectroscopy, elemental analysis, polyaniline, semiconducting polymer.

Введение

Полупроводниковые полимеры будут использоваться для открытия новых производственных линий, а также для производства фотоэлектрических устройств, обеспечивающих высокую эффективность преобразования при невысокой стоимости с учетом их электрических и физических свойств. В настоящее время полупроводниковые полимеры используются во многих областях электротехники и электроники, используются органические полупроводниковые полимеры [1].

Те, кто осознают, что наш современный образ жизни в значительной степени зависит от использования органических полимеров в качестве тепло- и электрических изоляторов, могут быть удивлены, узнав, что определенные пластмассы также могут использоваться в качестве проводников электричества. Помимо демонстрации универсальности полимеров, такое использование в качестве проводников приведет к развитию, которое было невозможно с другими доступными материалами конструкции [2]. За последние 20 лет было разработано множество различных проводящих полимеров [3]. Ажиотаж по поводу этих полимерных материалов подтверждается тем фактом, что область проводящих полимеров привлекала ученых из таких различных областей интересов, как синтетическая химия, электрохимия, физика твердого тела, материаловедение, наука о полимерах, электроника и электротехника [5].

Среди проводящих полимеров полианилин становится предпочтительным материалом для многих приложений. Интерес к этому проводящему полимеру происходит из того факта, что можно легко синтезировать множество различных кольцевых и азотзамещенных производных, и, что каждое из производных может существовать в нескольких различных степенях окисления, которые, в принципе, могут быть «допированы» множеством различных присадок, либо не окислительно-восстановительными процессами, либо частичным химическим или электрохимическим окислением [4]. Эти свойства в сочетании с довольно высокой проводимостью после легирования, простотой их синтеза и обработки, удовлетворительной экологической стабильностью и относительно низкой стоимостью исходных материалов убедительно указывают на их значительную потенциальную технологическую применимость.

Цель работы. Анализ физико-химическими методами синтезированного полианилина.

Методы и инструменты исследования. Свойства синтезированного полимера исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) JEOL JSM-5800LV и ИК-спектроскопией.

Экспериментальная часть. Подготовка материалов. Сырье: анилин, пероксидисульфат аммония, 1М-ная соляная кислота и раствор аммиака были использованы в этом исследовании. Пероксидисульфат аммония (NH₄)₂S₂O₈ (14,82 г, ∼0,065 моль) растворяли в 70 мл 1M HCl в химическом стакане объёмом 400 мл и выдерживали при 25°C. Анилин (6 г, 0,065 моль) растворяли в 75 мл 1 М HCl в другом стакане на 400 мл и также хранили при 25°C. Затем к раствору анилина медленно добавляли раствор пероксидисульфата аммония в течение ~ 1 минуты. Пробку оставляли на 30 минут, в течение которых температура оставалась постоянной на уровне 25°C. Реакция показана на рисунке 1.

Через одну-три минуты раствор начал приобретать сине-зеленый оттенок, затем стал интенсивно-сине-зеленым с медным отблеском. Через 30 минут осадок собирали на воронке Бюхнера и промывали с помощью аспиратора для воды. Осадок промывали порциями (80 мл/порция) деионизированной водой до тех пор, пока фильтрат не стал бесцветным. Уровень жидкости в фильтре следует постоянно регулировать, чтобы он был выше верхней части осадка. Это предотвратило растрескивание осадка и, следовательно, предотвратило неэффективную промывку осадка. Использовали минимум 500 мл дистиллированной воды. После промывки осадок оставался под секцией в течение ~ 10 минут, пока не произошло значительное растрескивание влажной лепешки на фильтре. После этого частично высушенный осадок суспендировали при постоянном перемешивании в 100 мл раствора NH₄OH, чтобы преобразовать гидрохлорид полианилина (соль эмеральдина) в основание полианилина (эмеральдина), как показано ниже на рисунке 2. Суспендированный раствор перемешивали в течение одного часа. Порошок собирали на воронке Бюхнера, промывали с помощью аспиратора для воды и частично сушили под вакуумом в течение ~ 10 минут. Затем осадок промывали 1 литром (100 мл на порцию) деионизированной воды. Черный осадок частично сушили на воронке под отсасыванием в течение ~ 30 минут после завершения последней промывки, после чего сушили в вакууме при 60°C в течение 24 часов с получением 4,32 г пурпурного порошка, что соответствует выходу ~ 89,4% в расчете на исходный материал анилина.

Рисунок 1.Окисление гидрохлорида анилина пероксидисульфатом аммония дает гидрохлорид полианилина (эмеральдина)

Рисунок 2. Соль полианилина (эмеральдина) депротонируется в щелочной среде до основания полианилина (эмеральдина)

Результаты и их обсуждение. Полученный полианилин был измерен и проанализирован с помощью ИК- спектроскопии для получения информации о присутствии функциональных групп в полимере (Рис 3). На ИК-спектрах полученного полимера было обнаружено, что частоты поглощения 3483 см^-1, принадлежащие N-H-группе, находятся в диапазоне высокой интенсивности в соответствии с типом валентных колебаний. Частоты поглощения (Ar)=C-H группы наблюдались в области 2927–3000 см^-1, и в слабой области 1655см^-1 -C=N- группы с интенсивной валентностью. Полоса, близкая к 1256 см^-1, описывается как характеристика проводящего полимера из-за делокализации электрических зарядов, вызванных депротонированием, и ее можно отнести к характеристикам полос B-NH-Q или B-NH-B, где B относится к кольцам бензольного типа, а Q - к хинонному типу кольца [6].Полосы около 1497-1654 см^-1 связаны с растяжением связей C-N бензольных и хинонических колец соответственно. Интенсивность этих полос дает представление о степени окисления полианилина, когда они имеют схожую интенсивность, полианилин находится в форме эмеральдина. Появление более широкой полосы, вместо пика, связано с наличием высокой концентрацией этих групп в примере. Имеется свидетельство пика низкой интенсивности в области, связанной с протяженностью связи О-Н, около 3400 см^-1 из-за присутствия влаги в образце.

Рисунок 3. ИК-спектры анилина (а) и полианилина (б)

Элементный состав основной формы полианилина-эмеральдина, полученной в стандартных условиях в кислой среде 1 M HCl, показан на рисунке 4. Результаты элементного анализа однозначно указывают на присутствие кислорода в полианилине. Это может быть связано со связанными молекулами воды или, что более вероятно, с частичным окислением полианилиновых цепей.

Рисунок 4. Элементный анализ полианилина с помощью сканирующего электронного микроскопа

Таблица 1.

Элементный анализ полупроводникового полимера

Вывод. Таким образом, на основании проведенных исследований разработаны методы синтеза и синтезирован полимер многоцелевого назначения на основе анилина пероксидисульфата аммония, с высоким выходом целевого продукта. Состав полученных продуктов и функциональные группы подтверждены методом ИК-спектроскопии. Синтезированный полупроводниковый полимер может быть использован в качестве пигмента для проводящих полимеров и чувствительных к красителям солнечных элементов при производстве солнечных элементов на основе сверхпроводящих полимеров.

Список литературы:

1. Шукуров Д. Х.,Тураев Х. Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Исследование синтезированных полупроводниковых полимеров // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2020. – № 11 (80).
2. Е. Тун Наинг, Цейтлин Г.М., Гроздов А.Г., Элетропроводящий полимер-полианилин // Химическая промышленность сегодня 2007 №8 Шукуров Д.Х.,Тураев Х.Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Солнечные батареи на основе электропроводящих полимерных веществ// Х международная научно-практическая конференция «global science and innovations 2020: centralasia» 17 августа 2020 года в городе Нур-Султан (Астана), Казахстан. C.29-32.
3. Abdiryim T.,Xiao-Gang Z., Jamal R.Comparative studies of solid-state synthesized polyaniline doped with inorganic acids // Mater.Chem.Phys.2005.№ 2.
4. Шукуров Д. Х.,Тураев Х. Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Изготовление и анализ сенсибилизированных солнечных элементов с использованием пигмента на основе фталоцианина меди // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2020. № 11 (80).
5. V. MilindKulkarni and AnnamrajuKasiViswanath, Journal of Macromolecular Science, Part A-Pure and Applied Chemistry, p.1173 (2004).