Фізико-хімічні і електрохімічні властивості електропровідних полімерних матеріалів на основі 3 заміщених тіофенів

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ ІМЕНІ Л. В. ПИСАРЖЕВСЬКОГО

 

КОНОЩУК НАТАЛІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

 

УДК 541. 64

 

 

02. 00. 04 – фізична хімія

 

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

 

КИЇВ – 2002

 

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізичної хімії імені Л. В. Писаржевського Національної Академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор, академік НАН України Походенко Віталій Дмитрович, Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України, директор Інституту.

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Барсуков Вячеслав Зіновійович,

Київський Національний університет технологій і дизайну МОН України, завідувач кафедри електрохімічної енергетики і хімії кандидат хімічних наук Пуд Олександр Аркадійович, Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Львівський національний університет ім. Івана Франка МОН України, хімічний факультет, кафедра фізичної хімії

 

 

Актуальність теми. Фізична хімія електропровідних органічних полімерів з системою супряжених -зв’язків (ЕПП) – один з новітніх розділів хімії, з розвитком якого стало можливим розуміння багатьох фундаментальних питань з хімії та фізики -супряжених макромолекул. Не менш важливим є прикладний аспект в дослідженнях ЕПП, чиї електрофізичні і оптичні властивості обумовили можливість створення на їх основі функціональних матеріалів нового покоління.

Політіофени є важливими представниками класу ЕПП. Висока електропровідність, хімічна, електрохімічна і термічна стійкість політіофенів і матеріалів на їх основі роблять можливим їх використання в різноманітних галузях сучасної техніки. Крім того, полімери тіофенового ряду є зручними модельними об’єктами для перевірки різних теоретичних концепцій електропровідності і вивчення транспорту заряду в неупорядкованих системах.

Оскільки в основі багатьох потенційних практичних застосувань політіофенів лежать редокс-перетворення, вельми актуальним є встановлення їх закономірностей, зокрема, деталей механізму р- та n-допування, особливостей взаємодії іонів-допантів з полімером і розчинником в цих процесах. Безсумнівно цікавим є і створення нових композиційних матеріалів на основі політіофенів, а також встановлення залежностей їх фізико-хімічних властивостей від складу і будови.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась в рамках відомчої тематики відділу № 7 Інституту фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України за пріорітетними напрямками “Фундаментальні основи створення нових процесів одержання сполук і матеріалів на основі органічних іон-радикалів” (№ Держреєстрації 0101U000017), а також проекту “Розробка прогресивних технологій створення нових багатофункціональних матеріалів на основі органічних електропровідних полімерів і їх композитів для техніки нового покоління” (№ Держреєстрації 0101U000016), який фінансувався Міністерством промислової політики України.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є виявлення загальних закономірностей поведінки полімерів і композитів на основі 3-заміщених тіофенів в процесі їх редокс-перетворень при р- і n-допуванні, з’ясування впливу на даний процес електронних ефектів замісника в -положенні тіофенового кільця елементарної ланки полімерного ланцюга, а також природи іонів-допантів і фізико-хімічних характеристик органічного розчинника.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі основні задачі:

вивчення впливу умов синтезу на фізико-хімічні, електрофізичні і електрохімічні властивості полі-3-фенілтіофена і його сополімерів з піролом;

встановлення взаємозв’язку між природою електроліта процесів електрохімічного р- і n-допування і редокс-властивостями полі-3-метил- (П3МТ) і полі-3-фенілтіофена (П3ФТ) ;

дослідження редокс-ефекту гетерополіаніонів-допантів типу Кеггіна на спектральні, електрофізичні і електрохімічні властивості П3МТ і П3ФТ;

синтез і дослідження фізико-хімічних і електрохімічних властивостей композитів П3МТ (П3ФТ) з вуглецевими матеріалами.

Об’єкт дослідження – плівки П3МТ і П3ФТ, доповані одно- і полізарядними аніонами, плівки сополімерів 3-фенілтіофена (3ФТ) і пірола, а також композити П3МТ і П3ФТ з вуглецевими матеріалами різного ступеню упорядкованості.

Предмет дослідження – закономірності редокс-поведінки полімерних матеріалів на основі 3-заміщених тіофенів при їх р- і n-допуванні.

Методи дослідження. При виконанні роботи були використані електрохімічні (циклічна вольтамерометрія, кондуктометрія, хронопотенціометрія), спектральні (ІЧ-, ЕПР-, ЯМР-, електронна спектроскопія) методи дослідження. Будову і склад одержаних матеріалів було вивчено за допомогою рентгенофазового і елементного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше одержано плівки П3ФТ, здатні до електрохімічного n-допування катіонами лужних металів, а також встановлено умови синтезу таких плівок.

На основі проведених досліджень редокс-перетворень П3МТ і П3ФТ в розчинах різних фонових солей в апротонних біполярних органічних розчинниках запропоновано механізм їх р- і n-допування.

Встановлено, що електронна будова полімера і редокс-властивості полізарядних аніонів-допантів визначають можливість перенесення заряду з полімерної матриці на допант.

Вперше шляхом сумісної електрохімічної полімеризації 3ФТ і пірола одержані електропровідні плівки сополімерів, склад і властивості яких визначаються умовами їх синтезу.

Одержано нові композити П3МТ і П3ФТ з вуглецевими матеріалами, фізико-хімічні і електрохімічні властивості котрих великою мірою залежать від ступеню упорядкованості останніх.

Практичне значення одержаних результатів. Показано можливість одержання плівок сополімерів 3ФТ і пірола з заданими електрохромними властивостями. Встановлено, що плівки П3МТ і П3ФТ, доповані гетерополіаніонами типу Кеггіна, можуть бути використані як електрокаталізатори окиснення різних органічних субстратів, а також відновлення кисню. Запропоновано метод окиснювального (Fe (ClO4) 3) синтезу нових стабільних композитів П3МТ і П3ФТ з різними вуглецевими матеріалами, які є перспективними з