邊立君 劉曉霞

(東北大學(xué)化學(xué)系 遼寧沈陽(yáng) 110819)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工作能力和創(chuàng)新思維的重要手段。高年級(jí)學(xué)生經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)階段的基本訓(xùn)練，已經(jīng)初步掌握了各門(mén)基礎(chǔ)課的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)操作技能，但還缺乏將各種實(shí)驗(yàn)方法及技術(shù)融會(huì)貫通和綜合應(yīng)用的能力，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力也不夠?；瘜W(xué)綜合實(shí)驗(yàn)以知識(shí)、技能、操作的綜合運(yùn)用及新技術(shù)、新成果和交叉技術(shù)的應(yīng)用為主要教學(xué)內(nèi)容，能夠幫助學(xué)生鞏固已經(jīng)掌握的化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)與技能,更重要的是可以培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維[1-2]。

導(dǎo)電聚合物是近20年快速發(fā)展的新研究領(lǐng)域。導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)的聚合物不導(dǎo)電的觀(guān)點(diǎn)。在一定條件下，其導(dǎo)電能力可以與金屬相媲美，在眾多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用潛力[3]。聚苯胺作為導(dǎo)電聚合物家族的重要成員，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：原料便宜、合成簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性高、室溫導(dǎo)電性可控等。同時(shí)，聚苯胺還具備豐富的光、電性能，在化學(xué)儲(chǔ)能、光電器件、化學(xué)傳感等諸多領(lǐng)域有應(yīng)用潛力，受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的廣泛關(guān)注[4-5]。將聚苯胺的合成及性能研究系列實(shí)驗(yàn)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)“合成—表征—性能研究”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，不但可以讓學(xué)生了解科學(xué)研究的基本工作思路，還可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 了解科學(xué)研究基本思路；培養(yǎng)學(xué)生閱讀科技文獻(xiàn)的能力及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新能力。

(2) 掌握化學(xué)法及電化學(xué)法合成聚苯胺。

(3) 掌握循環(huán)伏安法的原理及其應(yīng)用。

(4) 了解電化學(xué)催化和電化學(xué)傳感的基本研究方法。

(5) 了解氣體傳感機(jī)理及其應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1) 儀器：磁力攪拌器、四探針測(cè)試儀、循環(huán)水式多用真空泵、真空烘箱、電化學(xué)工作站、數(shù)字萬(wàn)用表、粉末壓片機(jī)。

(2) 試劑：苯胺、過(guò)硫酸銨、硫酸、氨水、N,N-二甲基甲酰胺、三氯化銻，鹽酸。

3 實(shí)驗(yàn)原理

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

4.1 準(zhǔn)備工作

在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生做好以下準(zhǔn)備工作：(1) 查閱文獻(xiàn)，對(duì)聚苯胺的性質(zhì)有初步了解；(2) 了解聚苯胺的合成方法及基本操作；(3) 了解傳感器的原理及應(yīng)用前景。

4.2 化學(xué)法合成聚苯胺

(1) 將50mL過(guò)硫酸銨(0.5mol·L-1)滴加到裝有苯胺(0.4mol·L-1)和硫酸(1.0mol·L-1)溶液的圓底燒瓶中，磁力攪拌，冰水浴控溫。反應(yīng)3h后，停止攪拌。抽濾，用稀硫酸、丙酮洗滌濾餅3次，以除去未反應(yīng)的有機(jī)物和低聚物，然后用大量去離子水洗至濾液為pH=6左右。在80℃真空干燥至恒重，研磨成粉末，得到摻雜態(tài)聚苯胺。

(2) 取少量摻雜態(tài)聚苯胺，于1mol·L-1氨水中進(jìn)行反摻雜，抽濾、干燥后得到本征態(tài)聚苯胺。

(3) 采用四探針測(cè)試儀，分別測(cè)量摻雜態(tài)聚苯胺及本征態(tài)聚苯胺的電阻率。

4.3 聚苯胺電化學(xué)活性測(cè)試

4.3.1 電化學(xué)法制備聚苯胺及電化學(xué)性能測(cè)試

(1) 以0.1mol·L-1苯胺、0.5mol·L-1硫酸溶液為電解液，以鉑電極分別作為工作電極和輔助電極，飽和甘汞為參比電極，采用電化學(xué)法制備聚苯胺，實(shí)驗(yàn)參數(shù)由學(xué)生自行設(shè)計(jì)。

(2) 在0.5mol·L-1硫酸溶液中,采用循環(huán)伏安法測(cè)試上述聚苯胺的電化學(xué)活性，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)電化學(xué)參數(shù)。

4.3.2 化學(xué)法制備的聚苯胺的電化學(xué)性能測(cè)試

(1) 聚苯胺修飾電極的制備：稱(chēng)取0.05g本征態(tài)聚苯胺粉末，溶解于10mL DMF中，將鉑絲置于DMF溶液中，提拉成膜，然后放入快速紅外烘箱烘干。

(2) 對(duì)上述聚苯胺修飾電極進(jìn)行電化學(xué)活性測(cè)試，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)電化學(xué)參數(shù)。

4.4 電化學(xué)催化性能測(cè)試

(1) 考察Sb(Ⅲ)/Sb(Ⅴ)的氧化還原峰電流大小及峰電位：在含有HCl與SbCl3的溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描(3mol·L-1HCl，2.5×10-3mol·L-1SbCl3)，掃描電位范圍為0～0.8V，掃描速度為0.05V·s-1。

(2) 電化學(xué)法制備聚苯胺：同步驟4.3.1中(1)。

(3) 聚苯胺電化學(xué)活性測(cè)試：在3mol·L-1鹽酸溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，掃描電位范圍為0～0.8V，掃描速度0.05V·s-1。

(4) 聚苯胺對(duì)Sb(Ⅲ)的催化氧化性能測(cè)試：在不同濃度SbCl3(2.5×10-3、5×10-3、7.5×10-3、1×10-3、1.25×10-2mol·L-1)溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。掃描電位范圍為0～0.8V，掃描速度0.05V·s-1。

4.5 聚苯胺氣敏性能測(cè)試

(1) 將化學(xué)法制備的聚苯胺滴涂到印刷碳電極表面，烘干后，將碳電極安裝到氣敏測(cè)試裝置上進(jìn)行測(cè)試。

(2) 調(diào)節(jié)氣敏測(cè)試裝置上的三通活塞，使載氣N2通過(guò)檢測(cè)室，待電阻值穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)活塞，使載氣通過(guò)盛有氨氣的廣口瓶進(jìn)入檢測(cè)室，記錄電阻值變化情況，反復(fù)測(cè)量3次。

4.6 數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果討論

(1) 記錄不同摻雜程度聚苯胺的電導(dǎo)率，討論聚苯胺導(dǎo)電性與摻雜程度的關(guān)系。

(2) 記錄并分析兩種方法制備的聚苯胺的循環(huán)伏安性能，確定氧化電位和還原電位，分析聚苯胺的電化學(xué)行為，并對(duì)兩種方法制備的聚苯胺的電化學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。

(3) 記錄鉑電極、聚苯胺修飾電極分別在空白溶液和含有Sb3+的溶液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)，確定氧化電位及氧化峰電流，分析聚苯胺對(duì)Sb3+電化學(xué)氧化的催化作用。記錄聚苯胺修飾電極在含有不同濃度Sb3+的溶液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)，分析催化電流與Sb3+濃度間的關(guān)系。

(4) 記錄聚苯胺電阻隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，分析聚苯胺對(duì)氨氣響應(yīng)的可逆性及聚苯胺對(duì)氨氣的響應(yīng)機(jī)理。

4.7 思考題

提出以下問(wèn)題供學(xué)生參考：

(1) 化學(xué)法制備聚苯胺時(shí)，如果將苯胺滴加到過(guò)硫酸銨溶液中，將會(huì)出現(xiàn)的結(jié)果。

(2) 試提出苯胺聚合的可能機(jī)理。

(3) 決定聚苯胺導(dǎo)電性的因素。

(4) 影響聚苯胺對(duì)氨氣響應(yīng)的因素。

[1] 廖德仲,何節(jié)玉,毛立新,等.大學(xué)化學(xué),2006,21(5):47

[2] 王伯康,王志林,孫爾康.大學(xué)化學(xué),2001,16(2):25

[3] MacDiarmid A G.AngewChemIntEd,2001,40:2581

[4] Li D,Huang J,Kaner R.AccChemRes,2009,42(1):135

[5] Zhang L,Dong S.JElectroanalChem,2004,568:189

[6] Oyama N,Ohnuki Y,Chiba K,etal.ChemLett,1983，1759

[8] Gao Y,Yao S,Gong J.MacromolRapidCommun,2007,28(3):286