Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu ảnh hưởng của Cu2+ đến tổng hợp TiO2-PANi

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:38

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này gồm những nội dung nghiên cứu sau: Tổng hợp vật liệu compozit TiO2-PANi bằng phương pháp điện hóa; Ảnh hưởng của sự pha tạp đến tổng hợp vật liệu; nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và tính chất vật liệu thông qua các phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM; khảo sát khả năng ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại Cu (II) đến tổng hợp vật liệu TiO2-PANi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu ảnh hưởng của Cu2+ đến tổng hợp TiO2-PANi

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ----------------- NGUYỄN THU HƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA Cu2+ ĐẾN TỔNG HỢP TiO2-PANi KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa lý HÀ NỘI – 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ----------------- NGUYỄN THU HƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA Cu2+ ĐẾN TỔNG HỢP TiO2-PANi KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa lý Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. TRẦN QUANG THIỆN HÀ NỘI – 2018
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin trân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hóa học trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho em rất nhiều kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực hóa học, đặc biệt là Hóa lý và cùng đó tạo điều kiện giúp em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo ThS. Trần Quang Thiện đã trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành khóa luận này kịp tiến độ. Trong thời gian làm việc với thầy em không những tiếp thu đƣợc nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập đƣợc tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả. Cuối cùng em xin đƣợc bày tỏ lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đặc biệt là những ngƣời bạn làm nghiên cứu cùng trong thời gian này, đã cùng nhau trao đổi kiến thức và giúp đỡ lẫn nhau trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng 05 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thu Hƣơng
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của Cu2+ đến tổng hợp TiO2-PANi” là kết quả mà em trực tiếp nghiên cứu, tìm hiểu đƣợc. Trong quá trình nghiên cứu em có sử dụng tài liệu của một số nhà nghiên cứu, một số tác giả. Tuy nhiên, đó chỉ là cơ sở để em rút ra đƣợc những vấn đề cần tìm hiểu ở đề tài của mình. Đây là kết quả của riêng cá nhân em, hoàn toàn không trùng với kết quả của các tác giả khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thu Hƣơng
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài......................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu.................................................................................. 1 3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................... 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 3 1.1. Titan diosite TiO2 .................................................................................... 3 1.1.1. Cấu trúc của titan diosite .................................................................. 3 1.1.2. Tính chất của titan diosite ................................................................ 4 1.1.3. Ứng dụng của titan diosite................................................................ 4 1.1.4. Các phương pháp điều chế titan diosite ........................................... 6 1.2. Polyaniline (PANi).................................................................................. 7 1.2.1. Cấu trúc của Polianinin .................................................................... 7 1.2.2. Các tính chất cơ bản của polyaninin ................................................ 8 1.2.3. Phương pháp tổng hợp PANi ............................................................ 9 1.2.4. Ứng dụng của PANi ........................................................................ 11 1.3. Composite TiO2-PANi .......................................................................... 12 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 14 2.1. Hóa chất – thiết bị nghiên cứu .............................................................. 14 2.1.1. Thiết bị ............................................................................................ 14 2.1.2. Hóa chất .......................................................................................... 14 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................... 14 2.2.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn CV.............................................. 14 2.2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại IR.................................................... 15
2.3. Thực nghiệm ......................................................................................... 16 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 18 3.1. Ảnh hƣởng của CuSO4 đến quá trình tổng hợp điện hóa TiO2-PANi . 18 3.1.1. Ảnh hưởng của CuSO4 đến phổ CV ................................................ 18 3.1.2. Ảnh hưởng của CuSO4 đến Epa1 và Epc1 .......................................... 20 3.1.3. Ảnh hưởng của CuSO4 đến điện thế bán pic Ep1/2 .......................... 21 3.1.4. Ảnh hưởng của CuSO4 đến Jpa1....................................................... 21 3.1.5. Ảnh hưởng của CuSO4 đến Qpa và Qpc............................................ 22 3.1.6. Ảnh hưởng của CuSO4 đến Qa và Qc .............................................. 23 3.2. Ảnh hƣởng của CuSO4 đến một số tính chất của TiO2-PANi .............. 24 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 26
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên Tiếng Việt Tên Tiếng Anh PANi Polyanilin Polyaniline CV Quét thế tuần hoàn Cyclic Voltametry SEM Hiển vi điện tử quét Scanning electron microscopy IR Phổ hồng ngoại Infrared spectroscopy
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Cấu trúc tinh thể TiO2 .......................................................................... 3 Hình 2. Sơ đồ tổng quát về sự hình thành PANi bằng con đƣơng điện hóa . ................. 10 Hình 3. Quan hệ giữa dòng – điện thế trong quét thế tuần hoàn. ................... 15 Hình 4. Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM. ...................................... 16 Hình 5. Phổ CV tổng hợp TiO2-PANi có mặt CuSO4 với nồng độ khác nhau, H2SO4 0,5M, ANi 10ml/L, cách 10 chu kỳ........................... 19 Hình 6. Phổ CV tổng hợp TiO2-PANi có mặt CuSO4 với nồng độ khác nhau, H2SO4 0,5M, ANi 10ml/L, các chu kỳ chuẩn hoá c5, c10, c15, c20. .................................................................................. 20 Hình 7. Biến thiên Epa và Epc theo số chu kỳ và nồng độ CuSO4, H2SO4 0,5M, ANi 10ml/L. ......................................................................... 21 Hình 8. Biến thiên Epa1/2 và Epc1/2 theo số chu kỳ và nồng độ CuSO4, H2SO4 0,5M, ANi 10ml/L ............................................................... 21 Hình 9. Biến thiên Jpa1 theo số chu kỳ và nồng độ CuSO4, H2SO4 0,5M, ANi 10ml/L. .................................................................................... 22 Hình 10. Biến thiên Qpa và Qpc theo số chu kỳ và nồng độ CuSO4, H2SO4 0,5M, ANi 10ml/L. .............................................................. 22 Hình 11. Biến thiên Qa và Qc theo số chu kỳ và nồng độ CuSO4, H2SO4 0,5M, ANi 10ml/L .......................................................................... 23 Hình 12. Biến thiên điện lƣợng phân cực toàn phần Qa và Qc theo số chu kỳ tổng hợp TiO2-PANi và nồng độ ion Cu2+ khác nhau ............... 24 Hình 13. Ảnh SEM của TiO2-PANi tổng hợp điện hoá trong H2SO4 có mặt CuSO4....................................................................................... 24
MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Polyanilin là một trong những polyme có khả năng dẫn điện tốt, ổn định trong môi trƣờng không khí và có nhiều thuận lợi trong quá trong quá trình điều chế nên có nhiều ứng dụng trong thực tế: tích trữ và chuyển hóa năng lƣợng nhƣ làm vật liệu catot cho pin sạc, sen sơ điện hóa nhƣ xác định pH hay khí NH3, cố định enzyme, chống ăn mòn kim loại, vật liệu cho nguồn điện, tạo compozit với một số hợp chất vô cơ nhằm biến tính vật liệu. Đƣợc sử dụng làm phụ gia trong điện cực âm trong pin và acquy, sử dụng trong các ngành hóa chất. Ngoài ra, PANi còn có khả năng chịu nhiệt độ cao, bền cơ học, tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa- khử khác nhau và đặc biệt là khả năng điện hóa rất cao. Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu có bản chất khác nhau. Compozit TiO2-PANi ngày nay đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dân dụng, công nghiệp quốc phòng và trong đời sống. Việc chế tạo ra compozit bằng phƣơng pháp điện hóa đƣợc nhiều tác giả trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới quan tâm. Ảnh hƣởng của các ion kim loại đến quá trình tổng hợp TiO2-PANi là một trong những vấn đề đang đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Vì vậy em đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng của Cu2+ đến tổng hợp TiO2-PANi” làm nội dung nghiên cứu cho khóa luận của mình. 2. Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu compozit TiO2 – PANi. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của ion Cu2+ đến tổng hợp TiO2- PANi. 1
3. Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu compozit TiO2-PANi bằng phƣơng pháp điện hóa. - Ảnh hƣởng của sự pha tạp đến tổng hợp vật liệu. - Nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc và tính chất vật liệu thông qua các phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét SEM. - Khảo sát khả năng ảnh hƣởng của nồng độ ion kim loại Cu (II) đến tổng hợp vật liệu TiO2-PANi. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR. - Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét SEM. - Phƣơng pháp quét thế tuần hoàn CV. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Vật liệu compozit TiO2 – PANi có ứng dụng quan trọng trong các ngành điện tử, sensor sinh học bộ cảm biến, pin, acqui PANi. Có khả năng chống ăn mòn và bảo vệ theo cơ chế bổ sung cho nhau, có thể tạo màng lớp lót trong thụ động bề mặt kim loại, tính ức chế thay thế cho các lớp crom độc hại. 2
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Titan đioxit TiO2 1.1.1. Cấu trúc của titan đioxit Trong cuộc sống hằng ngày TiO2 là một trong những vật liệu cơ bản có nhiều ứng dụng. TiO2 là đƣợc sử dụng nhƣ một sắc tố trắng sáng trong sơn, đƣợc dùng tạo màu trong ngành công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, trong kem chống nắng và các ngành công nghiệp khác. TiO2 là chất bán dẫn, cấu trúc tinh thể gồm 3 dạng: rutile, anatase và brookite (hình 1). (a) (b) (c) Hình 1: Cấu trúc tinh thể TiO2 (a)– rutil, (b) – anatase, (c) – bookite [4, 5]. 3
1.1.2. Tính chất của titan đioxit TiO2 màu trắng, không tan trong nƣớc, nhiệt độ nóng chảy là 1560oC [2]. Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti(IV) đều có tính lƣỡng tính. TiO2 có một số tính chất thích hợp dùng để làm chất xúc tác quang nhƣ: - TiO2 hấp thụ ánh sang trong vùng tử ngoại, cho ánh sang truyền qua trong vùng hồng ngoại và vùng khả kiến. - Có khả năng tăng cƣờng xúc tác bề mặt do nó là vật liệu có độ xốp cao. - Ái lực bề mặt TiO2 đối với các phân tử rất cao, vì vậy ngƣời ta có thể dễ dàng phủ lớp TiO2 lên các loại thiết bị với độ bám dính cao. - TiO2 trơ về mặt hóa học, không độc hại, không gây ô nhiễm mỗi trƣờng, có khả năng tƣơng hợp sinh học cao và có giá thành rẻ. Do vậy dễ sản xuất với số lƣợng lớn. Gần đây các nhà khoa học phát hiện thêm một tính chất tuyệt vời của TiO2 đó là bề mặt sẽ trở nên siêu thấm ƣớt khi đƣợc chiếu sang UV. Khi có ánh sáng chiếu vào TiO2 thể hiện đồng thời hai tính chất: tính siêu thấm ƣớt và khả năng xúc tác quang, mặc dù chúng có bản chất khác nhau. Hai tính chất này đƣợc áp dụng trong ngành sản xuất kính để tạo ra sản phẩm có khả năng tự làm sạch và chống tạo sƣơng. Khi kính đƣợc phủ một lớp TiO2 mỏng khi chiếu UV [4]: - Các hợp chất hữu cơ bị phá hủy do xúc tác quang hóa khi tiếp xúc với kính khiến kính đƣợc tự tẩy nhờn. - Có ái lực cao với nƣớc, do vậy nƣớc sẽ không tạo bột mà tạo dải liên tục. 1.1.3. Ứng dụng của titan đioxit Các lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của TiO2 đó là các ngành sản xuất sơn, vecni, giấy, nhựa (chiếm khoảng 80% lƣợng tiêu thụ TiO2 trên thế giới). Ứng dụng trong các ngành sản xuất khác nhƣ: mực in, sợi, cao su, mỹ phẩm, thực phẩm, sản xuất thủy tinh, chất xúc tác,… 4
- TiO2 dùng trong sản xuất sơn: TiO2 có tính chống ăn mòn cao nên đƣợc sử dụng để chế tạo sơn cho cầu cống, các công trình xây dựng và thiết bị chống ăn mòn khí quyển. TiO2 có tính không thấm ƣớt, có độ bền hóa và bền nhiệt cao nên đƣợc dùng để sơn vỏ tàu thủy, vỏ máy bay, các thiết bị ngâm trong nƣớc nhƣ: ngƣ cụ, tàu ngầm,… Đặc biệt nó còn dùng phối liệu dùng một số thứ khác để chế tạo máy bay tàng hình, vỏ tàu vũ trụ [2]. - TiO2 dùng trong công nghiệp giấy: sản xuất giấy cao cấp có các tính chất: độ đục cần thiết, mặt giấy mềm và mỏng, phụ gia cho giấy cần đạt độ mịn và đều, không phản ứng với các axit tự do và các chất Chlor hóa trong giấy,… ngƣời ta chọn TiO2 làm chất độn [2]. - Ngành nhựa, chất dẻo, cao su tổng hợp: TiO2 đƣợc dùng nhiều trong công nghiệp chế tạo săm lốp ô tô, xe máy, xe đạp. Ngƣời ta dùng TiO2 làm chất độn cho cao su với tỉ lệ 10-15%. Trong ngành công nghiệp nhựa TiO2 đƣợc sử dụng làm chất chắn sáng, chất ổn định trong polyethylene, polypropylene và PVC [2]. - Ngoài ra TiO2 còn đƣợc ứng dụng trong các ngành hóa mỹ phẩm, ngành luyện kim, ngành y tế và dƣợc liệu, ngành chế tạo mực in,ngành sứ, thủy tinh,.. - Ứng dụng các tính chất quang xúc tác và siêu thấm ƣớt của TiO2 [4, 5]. - Làm sen sơ điện hóa. Do TiO2 bền và không gây ô nhiễm môi trƣờng vì vậy ngƣời ta đã nghiên cứu vật liệu này để chế tạo ra sen sơ đo glucose [3] và đo khí oxy trong pin nhiên liệu [8]. - Làm vật liệu nguồn điện. - Một số ứng dụng khác nhƣ: vải tự làm sạch các bóng đèn cao áp trên đƣờng phố, trong các đƣờng hầm, các barie trên đƣờng quốc lộ, hệ thống gƣơng tại các khúc quanh,… 5
1.1.4. Các phương pháp điều chế titan đioxit  Phân hủy quặng tinh illemenite [6, 7, 31] Nguyên tắc: Dùng H2SO4 đặc ở nhiệt độ cao để phân hủy quặng illmenite, chuyển titanium và sắt về dạng sunfate hòa tan trong dung dịch. Sau đó muối của titanium sẽ đƣợc thủy phân và nung để tạo thành TiO2. Quá trình điều chế gồm 3 giai đoạn: Phân hủy tinh quặng illmenite bằng H2SO4, thủy phân dung dịch muối titanium và nung sản phẩm thủy phân.  Ƣu điểm: Trong quy trình sản xuất chỉ sử dụng một hóa chất là H2SO4  Nhƣợc điểm: Trong quá trình sản xuất thải ra một lƣợng lớn sắt sunfate và axit loãng. Khâu xử lí nƣớc thải phức tạp đòi hỏi chi phí tốn kém.  Quá trình thủy luyện [1] Với quá trình thủy luyện ngƣời ta tiến hành trong các môi trƣờng khác nhau nhƣ: HCl, H2SO4… Trong quá trình sunfate hóa quặng illmenite ngƣời ta tiến hành hòa tan quặng bằng H2SO4 đặc để chuyển về dạng TiOSO4 và muối sắt sunfate và sau đó kết tinh muối sắt sunfate (FeSO4.7H2O). Các giai đoạn của quá trình: quá trình lọc, quá trình giảm sắt, quá trình kết tinh, kết tinh TiOSO4, thủy phân và đốt thành bột.  Tổng hợp TiO2 từ alkoxide [1] TiO2 đƣợc tổng hợp từ alkoxide theo phƣơng pháp sol-gel. Phƣơng pháp sol-gel là quá trình chuyển hóa sol thành gel. Bằng phƣơng pháp này có thể thu đƣợc vật liệu có trạng thái mong muốn nhƣ khối lƣợng, màng phôi, bột có độ lớn đồng nhất,… Alkaxide của titanium đƣơc thủy phân tạo kết tủa hydroxyl trong nƣớc. Kết tủa sau đó phân tán trong môi trƣờng lỏng tạo thành các sol, rồi sau đó đƣợc chuyển hóa thành gel bằng cách dehydrate hóa hoặc thay đổi giá trị pH của môi trƣờng phản ứng. Gồm các công đoạn sau: Phản ứng thủy phân 6
alkoxide kim loại và phản ứng nhiệt phân Ti(OH)4. TiO2 cũng đã đƣợc tổng hợp thành công bằng phƣơng pháp vi nhũ tƣơng với nguyên liệu chính là các alkoxide của titan và các hệ nhũ tƣơng khác nhau. Tuy nhiên, phƣơng pháp này đòi hỏi cần phải có chi phí cao do phải sử dụng một lƣợng lớn dung môi và chất hoạt động bề mặt. Ngoài ra TiO2 còn thể tổng hợp TiO2 bằng các phƣơng pháp khác nhƣ: phƣơng pháp nhiệt dung môi, phƣơng pháp sol, phƣơng pháp vi sóng, phƣơng pháp siêu âm,… 1.2. Polianiline (PANi) PANi là một trong số nhiều loại polyme dẫn có tính chất dẫn điện tƣơng tự nhƣ một số kim loại [12,30,31,36]. PANi là vật liệu đang đƣợc cả thế giới quan tâm vì nó có nhiều ứng dụng quan trọng, nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ tìm kiếm và tổng hợp. Ngoài ra, PANi còn có khả năng chịu nhiệt độ cao, bền cơ học, tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa-khử khác nhau và đặc biệt có khả năng điện hóa rất cao. Ngƣời ta có thể nâng cao tính năng của PANi nhờ sử dụng kĩ thuật cài các chất vô cơ hay hữu cơ. PANi có đặc điểm ổn định trong môi trƣờng không khí, chất kích thích và có nhiều thuận lợi trong quá trình điều chế. 1.2.1. Cấu trúc của Polianinin PANi là sản phẩm cộng hợp của nhiều phân tử anilin trong điều kiện có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác. Dạng tổng quát của PANi gồm 2 nhóm cấu trúc [12, 23, 29, 30, 36]. H N N N N H a b a, b= 1, 2, 3, 4, 5… Khi a = 0, ở trạng thái permigranilin (PB – màu xanh thẫm) 7
HN N N N Khi b=0, ở trạng thái Leucoemaradin (LB – màu vàng) H H H NH N N N H Khi a=b, ở trạng thái Emerradin (EB – màu xanh) .. NH NH N N H Do các quá trình trên đều xảy ra thuận nghịch vì vậy nó tƣơng tự nhƣ quá trình oxi hóa, quá trình khử cũng xảy ra từng phần hoặc toàn phần. Ngoài ra ngƣời ta còn quan sát đƣợc các màu sắc khác nhau tƣơng ứng với những cấu trúc khác nhau của PANi trong quá trình tổng hợp chúng. 1.2.2. Các tính chất cơ bản của polianinin PANi là chất vô định hình, màu sắc có thể thay đổi từ xanh sang tím. Khi có thêm các chất khác thì sự thay đổi màu sắc đa dạng hơn. Ví dụ: khi có thêm ion Cl- thì màu sắc của PANi có thể thay đổi từ màu vàng (trạng thái khử) sang màu xanh (trạng thái oxi hóa). PANi ít bị phân hủy ở nhiệt độ dƣới 25oC và quá trình phân hủy mạch polymer chỉ xảy ra ở nhiệt độ trên 300oC và có thể bị phân hủy gần nhƣ hoàn toàn ở nhiệt độ 500-520oC [12, 36]. PANi là vật liệu dẫn điện có hệ thống nối đôi liên hợp dọc theo toàn mạch phân tử. Cơ chế dẫn điện của PANi bao gồm cả độ dẫn điện ion và độ dẫn điện điện tử. Chúng bền với nhiệt có độ tự cảm và tính bán dẫn. Độ dẫn điện của PANi từ 10-13 – 102 S/cm [30, 36]. PANi có khả năng tích trữ năng lƣợng cao nên ngƣời ta thƣờng dùng nó là vật liệu chế tạo nguồn điện thứ cấp nhƣ thay thế MnO2 trong pin Laclanche để trở thành pin sạc Zn/PANi có khả năng phóng nạp nhiên liệu nhiều lần. 8
1.2.3. Phương pháp tổng hợp PANi Hiện nay có nhiều phƣơng pháp để tổng hợp nên polianilin, tuy nhiên phƣơng pháp hóa học và phƣơng pháp điện hóa đƣợc sử dụng nhiều hơn trong việc tổng hợp PANi.  Phƣơng pháp hóa học. Để chế tạo polianilin bằng phƣơng pháp hóa học, thông thƣờng polyanilin có cấu tạo mạch thẳng, chƣa đƣợc oxi hóa hay tạo muối. H H H NH N N N H Tuy nhiên các phản ứng biến tính, oxi hóa-khử Polianilin bằng phƣơng pháp học khó điều khiển hơn so với phƣơng pháp điện hóa. Từ polianilin thu đƣợc bằng phƣơng pháp hóa học cũng có thể tạo màng trên bề mặt kim loại bằng cách hòa tan hoặc phân tán bột PANi trong chất tạo màng, sau đó quét lên mẫu. Do có khả năng dẫn điện nên bản thân polyme dẫn có thể đóng vai trò nhƣ một điện cực, trên đó có thể tạo ra và điều chế các phản ứng điện hóa thông thƣờng. Do vậy có thể tạo ra phản ứng oxi hóa ANi bằng con đƣờng điện hóa ngay trên điện cực. Phƣơng pháp polyme hóa điện hóa có thể khắc phục đƣợc một số yếu điểm của polyme hóa hóa học [7].  Phƣơng pháp điện hóa Quá trình điện hóa kết tủa polyme bao gồm cả khơi mào và phát triển mạch xảy ra trên bề mặt điện cực. Ta có thể điều chỉnh các thông số đặc biệt của quá trình trong trƣờng hợp điện hóa và tạo ra sản phẩm polyme có tính chất cơ lý, điện, quang tốt. Các phƣơng pháp thƣờng dùng để tổng hợp PANi nhƣ dòng tĩnh, thế tĩnh, quét tuần hoàn, xung dòng, xung thế. Cho đến nay cơ chế tổng hợp PANi nói riêng và polyme dẫn nói chung chƣa đƣợc giải thích một cách 9
thuyết phục. Tuy nhiên cơ chế polymer hóa điện hóa đƣợc mô tả khái quát gồm các giai đoạn trung gian chính sau: - Khuếch tán và hấp phụ anilin. - Oxi hóa anilin. - Hình thành polyme trên bề mặt điện cực. - Ổn định màng polyme. Hình 2: Sơ đồ tổng quát về sự hình thành PANi bằng con đương điện hóa [12]. 10
Theo cơ chế trên thì có 2 giai đoạn liên quan trực tiếp đến phản ứng là giai đoạn khuếch tán và giai đoạn hấp phụ đều phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ monome và giai đoạn oxi hóa anilin cũng nhƣ vào sự phân cực điện hóa. Cả nồng độ monome và mật độ dòng đều có ảnh hƣởng trực tiếp tới tốc độ và hiệu suất polyme hóa. Ngoài hai yếu tố trên thì tính chất polyme còn phụ thuộc vào dung dịch điện ly, nhiệt độ, thời gian, pH, vật liệu làm điện cực nghiên cứu. Phƣơng pháp điện hóa có thể gồm 3 loại phản ứng: - Phản ứng điện hóa tạo ra các cation, radical oligome hòa tan. - Phản ứng hóa học trong dung dịch dime hóa và tạo ra các oligome hòa tan có trọng lƣợng phân tử lớn hơn. - Phản ứng điện hóa phát triển mạch polyme. 1.2.4. Ứng dụng của PANi PANi có nhiều ứng dụng trong thực tế ở nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: tích trữ và chuyển hóa năng lƣợng nhƣ làm vật liệu catot cho pin sạc, sensor điên hóa nhƣ xác định pH hay khí NH3, cố định enzyme, chống ăn mòn kim loại, vật liệu cho nguồn điện, tạo compozit với một số hợp chất vô cơ nhằm biến tính vật liệu… Ngoài ra, PANi còn đƣợc sử dụng nhƣ một hợp chất hấp phụ kim loại nặng trong xử lí môi trƣờng. Nhờ vào tính bán dẫn nên ngƣời ta sử dụng PANi vào việc chế tạo các thiết bị điện tử: điốt, tranzito, linh kiện bộ nhớ, tế bào vi điện tử,…[14]. Ngoài ra với khả năng tích trữ năng lƣợng nên nó có thể sử dụng làm hai bán điện cực trong tụ điện hoặc siêu tụ [14]. Màng PANi có các màu sắc khác nhau ở các trạng thái oxi hóa khử khác nhau tùy thuộc vào pH của dung dịch điện ly và điện thế đặt vào. Vì vậy ngƣời ta dùng màng PANi phủ lên phủ lên vật liệu vô cơ nhƣ: Al, Fe, Pt,… để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực. 11
Dựa vào nguyên lí sự thay đổi điện trở của màng polyme qua quá trình hấp phụ khí trên bề mặt điện cực, PANi đƣợc sử dụng để chế tạo sen sơ khí nhƣ: sen sơ ammoniac [16, 24, 25]. PANi tồn tại ở các trạng thái khác nhau tƣơng ứng với các điện thế khác nhau tại các giá trị pH khác nhau. Dựa vào tính chất này có thể ứng dụng PANi làm sen sơ đo pH. Ngoài ra PANi đƣợc pha tạp thêm một số chất khác để ứng dụng làm các loại sen sơ khác nhau nhƣ: sen sơ chọn lọc ion, sen sơ xác định methanol, etanol ở trạng thái hơi, sen sơ độ ẩm… [26]. Nhờ vào khả năng bám dính cao, có thế điện dƣơng nên màng PANi có khả năng chống ăn mòn cao, bảo vệ kim loại chủ yếu theo cơ chế che chắn, cơ chế anot và cơ chế ức chế , có thể thay thế một số màng phủ gây độc hại, ô nhiễm môi trƣờng [9]. PANi có khả năng hấp phụ kim loại nặng nên ngƣời ta sử dụng nó để hấp phụ các kim loại nặng có trong nƣớc thải công nghiệp cũng nhƣ nƣớc thải dân dụng. Để tăng dung lƣợng hấp phụ của PANi và giảm giá thành sản phẩm ngƣời ta đã tổng hợp compozit của PANi các chất mang là các phụ phẩm công nghiệp nhƣ: mùn cƣa, vỏ lạc, vỏ đỗ,… Các compozit này có khả năng hấp phụ rất tốt các ion kim loại Pb2+, Cd2+, …[11, 23, 31, 35]. 1.3. Composite TiO2-PANi Vật liệu compozit đã xuất hiện từ khá lâu và đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ: công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông vận tải, các ngành công nghiệp nặng và đặc biệt trong ngành hang không vũ trụ. Ƣu điểm của vật liệu compozit là có độ bền cơ học cao, chịu mài mòn, chịu hóa chất, bền với khí hậu và không dẫn điện. Vật liệu compozit lai ghép giữa TiO2 và PANi có những tính chất vƣợt trội so với những tính chất của đơn chất TiO2 và PANi ban đầu. TiO2 khá trơ về mặt hóa học, có thể tham gia xúc tác phản ứng quang hóa, thân thiện với môi trƣờng, là loại vật liệu vô cơ bán dẫn nên nó đã thu hút đƣợc nhiều nhà 12