Elektromosságot vezető szerves polimerek – a XXI. század „műanyag fémei” Fából vaskarika?
KÉMIA szabadegyetem – március 22.
POLIMEREK: ismétlődő egységekből, monomerekből felépülő nagyméretű molekulák, melyekben az egységeket kémiai kötések kapcsolják össze
Pirrol, savgőz, PANI (1862) Letheby Dall’Olio (1968) vizes kénsav oldatban elektrolízis útján - ún. fekete pirrol – sószerű Szerves anyagok elektrokémiai oxidációja - fekete réteg (polimerizáció) szigetelő - aktív felület csökkenése, nemkívánatos mellékfolyamat (az áramhatásfokot csökkenti), elkerülendő Shirakawa (1977) a poliacetilén vezetése jódgőz hatására 10 nagyságrenddel nő: 103 S/m! Diaz (1979) elektrokémiai szintézissel PPy
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Konjugáció: egyszeres és kettős kötések
Alap- és oxidált állapot
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Elektrokémiai átalakítás -reverzibilis
300
200
I /
100
0
-100
-200 -500
0
500
E / mV
1000
A vezetés változása
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
A látható fény elnyelésének változása - oxidáció
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
A redukció során
1,4
Abszorbancia
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 300
400
500
600
Hullámhossz (nm)
700
800
900
A polimerfilm tömegváltozása
A 0,54153 0,04528 B 6,79177E-4 3,94701E-6 --------------------------------R = 0,99771 SD = 0,19142, N = 138 P = 5,29056E-161
12
10
m / g
8
6
4
2
0
5000
10000
Q /C
15000
20000
A „szintetikus fémek” - ki- és bekapcsolhatók
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Reverzibilisen átalakíthatók - kémiai oxidáns – pl. I2 P
+
X.
=
P+X-
Polimerrel módosított elektródok elektrokémiai átalakítás P
+
X-
=
P+X- +
e-
hatására anionok - elektroneutralitás
a polaron képződése: N0 = P+ + ea bipolaron képződése: P+ = B2+ + e-
a polaronok kölcsönhatása: P+ + P+ = PP++
a láncnövekedés két lehetősége: az oxidált film monomerrel vagy annak oxidált formájával kapcsolódik?
1.9 V 1.4 V
Alkalmazásaik
Színváltó üveg, „okos” ablak (smart window)
LED képernyős televíziók, világító GPS térkép
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
Feltekerhető, flexibilis képernyő
Szerves polimerből készült tranzisztor
Összetett anyagok, polimer alapú kompozitok, hibridek
Elektromosan vezető polimereken alapuló összetett anyagok Lehetőség arra, hogy kombináljuk a vezető tulajdonságot optikai/mágneses/fotokatalitikus/biokatalitikus tulajdonságokkal
600
500
4
Intensity
400
3 300
200
2 1
100
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Stabilizált vezetésű elektrokatalizátor
3.0
electric S/cm
conductivities
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
Műanyag fémek avagy fából vaskarika
0.0 0
1
2
3
Ag content %
4
5
heat W/K.m
Megnövelt vezetésű hibrid
6
lg(S/S0)
4
2
0 0%
1%
2%
3%
Ag [mass%]
4%
5%
-200
-258 A
-250
Fotoelektrokémiai oxigéndetektor I/A
-300
-355 A
-350
-400
-450
-500 0
200
400
600
t/s
0 -50 -100
y = -19.81 x - 13.95 2 R = 0.96
Iphoto/A
-150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 0
5
10
O2/mg l
15 -1
20
800
1000
A fény a hidrogén-peroxid bomlását katalizálja
10
5 mV/s
0
I (A)
-10
-20
-30
N2 atmoszféra
-40
O2 atmoszféra -50 -1,2
O2 atmoszféra + megvilágítás -1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
E (V) vs Ag/AgCl
0,0
0,2
0,4
Foto-elektrokémiai hidrogén-peroxid érzékelő 0
- 0.2 V - 0.3 V
-10 -20 -1
-6
I = -0.1665 A M * c - 5,76 *10 A 2 R =0,9985
-30
I (A)
-40 -50 -1
-6
I = -0.1734 A M * c - 14.64 *10 A 2 R =0,9954
-60 -70 -80 -90 0
100
200
c
(M)
H2O2
300
400
Hajtóerő a beépüléshez és a stabil kompozit kialakításához
magnetit
A
B
Lehetőség biomolekulák immobilizálására
magnetit
borított magnetit
PPy / B12 / magnetit
Tömegnövekedés a polimerizációk során
Polypyrrole Polypyrrole + magnetite Polypyrrole + magnetite + B12
6
B12
5
Fe3O4 27 m/m %
4
mg
15 m/m %
3
2
1
0 0
5
10
15
t/s
20
25
30
G. Gershwin – C. Visy: Chemistry in blue
Mágneses elektród
„Hangolható” mágnesesség
Hibridek alkalmazási lehetőségei a megújuló energiák hasznosítása terén
p/n félvezetők alkotta napelemek Tüzelőanyag-cellák katódja O2-redukció
Termoelektromos áramtermelés
PEDOT / TiO2 hibrid - p/n heterojunction
A nanocsőkötegek „beborítása” A p-típusú félvezető a polimer Az n-típusú: TiO2 nanocső köteg
Elektroaktivitás és reflexiós UV-látható színkép 1,0
5 10 25 mV/s 50 100
0,8
Absorbance
0,6
PEDOT
0,2 0,0
TiO2 + PEDOT
-0,2 -0,4
TiO2
-0,6 -0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
200
300
400
E / V vs. Ag/AgCl
500
200 180 light off
-2
160
Foto-elektrokémiai aktivitás
600
Wavelength / nm
Current density / A cm
I / mA
0,4
70 A cm-2
140 light on
120
50 s
100 80 60 40 20 0 -20 -0,8
-0,6
-0,4
-0,2
Potential / V
0,0
0,2
0,4
700
800
Polipirrol / Fe3O4 hibrid - katód O2-redukció kulcsszerepe a tüzelőanyag-elemekben Magnetit nanorészecskék beépítése vezető polimerekbe Fotokatalitikus aktivitású új elektród
PPy / Fe3O4 -12
dark
-16
I / A
-20
-24
-28
illuminated
-32
-36 300
400
500
600
t/s
700
800
900
Termoelektromos anyagok Bi2Te3 (~250 μV/K)
Politiofén 25
Y = (1.283 ± 0.001)X +(-9.976 ± 0.016) r = 0.9998, F = 2301536
U/mV
20
15
10
5
0 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 T/K
Kémiai Nobel – díj 2000.
Alan MacDiarmid (†), Hideki Shirakawa, Alan Heeger
Köszönöm a figyelmet.
