基本信息
- 项目名称：
- 导电高分子水凝胶与气凝胶研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 导电高分子水凝胶和气凝胶能够结合导电高分子与水凝胶和气凝胶各自的优势，在能源、催化、生物、环境工程等诸多领域具有广泛的应用前景。然而，由于导电高分子既不能在水或有机溶剂中溶解，又不能在高温时熔融，因而获得预期的导电高分子水凝胶和气凝胶在合成方面仍然面临巨大的挑战。本项目提供了一种合成导电高分子水凝胶与气凝胶的新策略，并对获得的导电高分子水凝胶与气凝胶的物理化学性能与应用性能进行了系统深入的研究。
- 详细介绍：
- 导电高分子，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，是一类独特的能够显示出金属或者半导体的电学和光学特性的有机材料。水凝胶是以三维交联网络结构为特征且在三维交联网络内容纳了大量不流动的水分子的一类胶体。气凝胶是具有低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料，它一般采用超临界干燥或冷冻干燥把湿凝胶中的液体用气体来置换而不显著改变凝胶网络的结构或者体积而得到的。导电高分子水凝胶和气凝胶由于结合了导电高分子与水凝胶和气凝胶各自的优势，因而在化学模仿神经网络、生物识别膜、电刺激药物释放、神经修复、电化学能量储存、吸附与催化等领域具有广泛的应用前景。然而，由于常规的导电高分子既不能在水或者有机溶剂中溶解，又不能在高温时熔融，因而获得预期的导电高分子水凝胶和气凝胶在合成方面仍然面临巨大的挑战。 我们由两位本科生组成的项目小组首先通过有机合成，将亲水性的磺酸基团引入到 (3,4)-乙撑二氧噻吩（EDOT）分子中，获得了两亲性的EDOT-S单体，并首次发现EDOT-S单体的荧光性能；其次通过氧化偶联方式，原位合成出导电高分子PEDOT-S水凝胶，且观察到由二维的纳米结构组装成三维块体凝胶的现象，这在有机材料的水凝胶中是第一例。并进一步揭示了PEDOT-S水凝胶的电势依赖的凝胶-溶胶转变；最后，用EDOT-S单体分散EDOT分子，获得了稳定的乳液。采用氧化偶联的方式引发乳液聚合，合成出PEDOT-S/PEDOT水凝胶，以该水凝胶为前驱体，采用超临界干燥或者冷冻干燥的方式，成功地获得了PEDOT-S/PEDOT气凝胶。电化学研究表明，该气凝胶表现出优异的电化学电容性能；吸附实验表明，该气凝胶能够对大多数染料进行高效吸附，并能快速可控的释放已经吸附的染料分子。 在完成项目的过程中，我们由两位本科生组成的项目小组已发表和即将发表论文共计3篇： (1)Synthesis of conducting polymer hydrogels with 2D building blocks and their potential-dependent gel–sol transitions, Chem. Commun., 2011, (47), 6287-6289 (2)Emulsion-template synthesis and multi-purpose uses of conducting polymer aerogels, 2011, to be submitted to J. Am. Chem. Soc. (3)Alkoxysulfonate-Functionalized PEDOT hydrogels: dimention evolusion, metal-ion effect, overoxidation and pratical performances, 2011, to be submitted to Macromolecules
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：本工作旨在为导电高分子水凝胶及气凝胶的合成提供一种新方法与思路，并探索获得的导电高分子水凝胶及气凝胶的应用性能。 基本思路：首先采用分子设计及有机合成手段，获得两亲性的导电高分子单体，解决导电高分子既不溶解也不熔融的难题；然后利用氧化偶联与非共价交联同步进行的方式，获得新型的导电高分子水凝胶与气凝胶；最后考察所获得的导电高分子水凝胶与气凝胶的物理化学性能与应用性能。
科学性、先进性及独特之处
- (1)根据文献报道的方法合成出两亲性的聚噻吩衍生物EDOT-S，并首次观测到显著的光致发光（荧光）现象； (2)首次合成出以二维纳米材料为结构单元的有机导电高分子水凝胶，并观测到导电高分子水凝胶的氧化电势依赖的凝胶-溶胶转变现象； (3)首次利用乳液聚合，合成出新型的导电高分子气凝胶，并发现该气凝胶在染料吸附、电化学储能等方面有很好的应用性能。
应用价值和现实意义
- (1)提供了一种简单、快速且通用的导电高分子水凝胶与气凝胶的合成方法； (2)利用导电高分子水凝胶的化学电势依赖的凝胶-溶胶转变有望制备出强氧化剂的传感器； (3)获得的导电高分子水凝胶有望在化学模仿神经网络、电刺激的药物释放等领域得到广泛应用； (4)由导电高分子水凝胶转变而成的导电高分子气凝胶在染料的吸附与控制释放、电化学储能等领域有很好的应用性能。
学术论文摘要
- 联用氧化偶合聚合及非共价交联技术，将两亲性噻吩衍生物通过一步反应，合成出由独特的二维结构单元构筑的导电高分子水凝胶。水凝胶在标准电极电势大于0.8 V 的氧化剂作用下发生解体，显示出电势依赖性的凝胶-溶胶转变现象。 Conducting polymer hydrogels with unusual 2D building blocks were synthesized via combination of oxidative coupling polymerization and non-covalent crosslinking of an amphiphilic thiophene derivative in one step. Chemicals with standard electrode potentials higher than 0.8 V trigger disband of the resulting conducting polymer hydrogels, indicating potential dependent gel-sol transitions.
获奖情况
- 与之相关的部分研究成果已经发表于英国皇家化学会主办的国际权威杂志Chemical Communications （SCI影响因子：5.5） Ran Du, Yangzi Xu, Yunjun Luo, Xuetong Zhang*, Jin Zhang, Synthesis of Conducting Polymer Hydrogels with 2D Building Blocks and Its Potential Dependent Gel-Sol Transitions, Chemical Communications, 2011, (47), 6287-6289.
鉴定结果
- 本项目的研究水平达到国际一流。
参考文献
- [1]L. Chen, B. Kim, M. Nishino, J. Gong, Y. Osada, Macromolecules, 2000, 33, 1232 [2]N. Mano, J. E. Yoo, J. Tarver, Y.-L. Loo, A. Heller, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7006 [3]R. H. Karlsson, A. Herland, M. Hamedi, J. A. Wigenius, A. Åslund, X. Liu, M. Fahlman, O. Inganäs, P. Konradsson, Chem. Mater., 2009, 21, 1815. [4]S. Nayak, L.A. Lyon, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7686. [5]U. Barsch, F. Beck, Electrochimica Acta, 1996, 41, 1761. [6]A. Guiseppi-Elie, Biomaterials, 2010, 31, 2701. [7]X. T. Zhang, D. W. Chang, J. R. Liu, Y. J. Luo, J. Mater. Chem., 2010, 20, 5080. [8]X. T. Zhang, J. R. Liu, B. Xu, Y. F. Su, Y. J. Luo, Carbon, 2011, 49, 1884. [9]X. T. Zhang, C. Y. Li, Y. J. Luo, Langmuir, 2011, 27, 1915.
同类课题研究水平概述
- 目前所报道的导电高分子水凝胶一般都是把导电高分子填充到其它水凝胶基体中所获得的水凝胶的共混物，只有寥寥可数的3篇文献报道了真正意义上的导电高分子水凝胶，但都存在一些问题： Osada等人以己二酰肼为交联剂，得到了聚噻吩的水凝胶（Macromolecules, 2000, 33, 1232）。然而该方法制备的导电高分子水凝胶需要使用有机溶剂；Mano等人以聚乙二醇缩水甘油醚作为交联剂，制备出了聚苯胺的水凝胶（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7006）。然而重复性较差；南京大学陆云教授等报道了PEDOT-PSS的超分子水凝胶（Chem. Commun., 2008, 4279）。然而，在这样的水凝胶中，含有不导电子的聚苯乙烯磺酸钠，造成以该水凝胶为前驱体制备的导电高分子气凝胶不具有电化学电容性能。这些研究表明，开发真正意义上的并满足实际应用需求的导电高分子水凝胶，仍然是一件非常有挑战性的工作。 由于导电高分子溶胶-凝胶化学的匮乏，造成事实上的合成导电高分子气凝胶的巨大困难。到目前为止，在世界范围内还没有其它任何科学家开展有关导电高分子气凝胶的研究工作。本项目小组所在的研究室率先通过超临界干燥把导电高分子水凝胶成功地转变为气凝胶，具体研究进展包括：首先采用PEDOT:PSS水凝胶为前驱体，通过超临界CO2干燥获得了世界范围内首例导电高分子气凝胶(J. Mater. Chem. 2010, 20, 5080)，该工作也把导电气凝胶的范围从无机领域拓展到有机领域；在前驱体的合成过程中，原位添加碳纳米管，超临界干燥后能够获得导电高分子/碳纳米管复合气凝胶(Carbon, 2011, 49, 1884.)，碳纳米管的存在可以提高导电高分子气凝胶的电学性能、比表面积和热稳定性；通过前驱体的选择及干燥方式的设计，实现了导电高分子气凝胶多孔结构的有序化(Langmuir, 2011, 27, 1915)。然而，遗憾的是，这些获得的导电高分子气凝胶没有表现出预期的电化学电容性能，这就迫使我们需要对这些气凝胶的前驱体，即导电高分子水凝胶进行新的分子设计与合成。 本项目从导电高分子水凝胶与气凝胶面临的问题着手，发展了一种全新的制备导电高分子水凝胶与气凝胶的方法，并成功了探索出导电高分子水凝胶与气凝胶在某些领域的应用前景。
