ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ:
ГРАФЕН И ПРОВОДЯЩИЕ ПОЛИМЕРЫ
Применение электропроводящих полимеров: полианилина и полипиррола.
Электропроводящие полимеры сочетают органическую высокомолекулярную структуру со свойствами полупроводников. Они обладают высокой электронной и ионной проводимостью, электрохимической активностью, интенсивно взаимодействуют с электромагнитным излучением. С помощью методов органического синтеза полимеры могут быть адаптированы к различным вариантам применения. Электропроводящие полимеры быстро находят новые приложения как материалы с отличными электрическими и физическими свойствами и с низкими затратами на изготовление. Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров и их композитов с высокой дисперсностью и большой площадью поверхности - источник новых идей в нанотехнологиях.
Электропроводящие полимеры, в частности, полианилин и полипиррол, находят применение в материалах и устройствах в различных областях техники.
Применения электропроводящих полимеров в электротехнике и электронике
Электродные материалы суперконденсаторов и батарей
В конце 80-х годов компаниями Varta-BASF и Bridgestone-Seiko были выпущены первые полимерные литиевые аккумуляторы на основе полианилина. В настоящее время разрабатываются усовершенствованные литиевые аккумуляторы с полианилином и полипирролом как на аноде, так и на катоде, предназначенные для питания мобильных телефонов и ноутбуков. Другим типом энергонакопительных устройств, где используются полианилин и полипиррол, являются суперконденсаторы. Устройства с водным электролитом при низком рабочем напряжении имеют емкости, в несколько раз превосходящие емкость обычных конденсаторов сравнимого размера. Компания Matsushita Corporation выпускает эти конденсаторы под маркой Panasonic SP-Cap. В настоящее время разрабатываются суперконденсаторы нового поколения с высоким рабочим напряжением, где полимерные редокс-активные компоненты сочетаются с органическими электролитами и ионными жидкостями. Большое внимание при этом уделяется созданию гибких источников питания, совместимых с гибкой пластиковой электроникой. Принятие новых законов, регулирующих использование тяжелых металлов, стимулирует переключение интереса производителей с токсичных материалов на нетоксичные полимерные электропроводящие материалы.
Элементы питания и суперконденсаторы, в том числе гибкие устройства, содержащие электропроводящие полимеры.
Начиная с 2005 г., большое внимание уделяется полианилину и полипирролу при разработке устройств альтернативной энергетики – топливных элементов. Благодаря наличию электронной и протонной проводимости в сочетании с каталитической активностью полимеры тестируются в составе электродных материалов в низкотемпературных топливных элементах с водородным топливом, а также в элементах с прямым окислением жидкого топлива. Используются полимеры и для модификации протон-проводящих мембран, применяемых не только в топливных элементах, но и для электродиализа и обессоливания воды. Однако до настоящего времени ведущие электронные компании, такие как Casio, Fujitsu, Hitachi, NEC, Sanyo, Toshiba, Motorola и другие, анонсируют лишь демонстрационные образцы низкотемпературных топливных элементов, а коммерциализация устройств затягивается, поскольку цена произведенной топливными элементами энергии еще достаточно высока.
Электропроводящие полимеры для экранирования электромагнитного излучения
Полианилин и полипиррол используются для экранирования электромагнитного излучения. Фирма Milliken & Company под торговой маркой Contex выпускает ткани и бумагу для поглощения СВЧ-излучения, что вызвано необходимостью экранирования излучения мобильных телефонов и других бытовых высокочастотных устройств. Пленки полианилина и полипиррола на пористых носителях имеют высокий уровень поглощения в диапазоне 10-100 ГГц. При меньших частотах эффективны композиты электропроводящих полимеров с металлическими или магнитными наполнителями.
Образцы хлопковой ткани, покрытой полианилином (PANI) и полипирролом (PPy). Ткань обладает электропроводностью и способностью экранировать электромагнитное излучение.
Электропроводящие полимеры на носителях в виде бумаги, природных и синтетических тканей и полимерных пленок активно применяются при разработке гибкой электроники. На их основе создаются различные типы умного текстиля и электронной бумаги, необходимые для конструирования большого разнообразия гибких электронных устройств общего, медицинского и военного назначения.
Образцы электропроводящего умного текстиля и электронной бумаги, а также образцы гибкой электроники на их основе.
Применение электропроводящих полимеров в сенсорах
Разработка нового поколения сенсорных устройств также связана, в основном, с двумя электропроводящими полимерами – полианилином и полипирролом. Полимеры выполняют функции детектирующих компонентов сенсоров, поскольку чувствительны к действию различных химических реагентов и дают на них закономерный отклик. Сенсоры предназначены для определения концентрации токсичных и взрывоопасных газов, органических растворителей и кислот, наркотических веществ. Созданы простые и удобные сенсоры качества продуктов питания и биологических материалов, которые меняют цвет под действием токсинов – продуктов разложения белков. В отличие от уже имеющихся металлоксидных сенсоров, сенсоры нового поколения на основе электропроводящих полимеров работают при обычных температурах и не требуют термостатирования, они просты по конструкции и дешевы. Разрабатываются высокоселективные устройства для диагностики смесей газов и жидкостей под названием «электронный нос» и «электронный язык».
Миниатюрные и гибкие сенсоры токсичных и взрывоопасных газов и органических веществ. Детектируется изменение сопротивления полимера под действием паров анализируемого вещества.
Среди других вариантов применения полианилина и полипиррола следует отметить высокотехнологичную и эффективную микроволновую сварку труб и изделий из термопластов, покрытых порошком электропроводящего полимера; использование полимеров в качестве электромагнитного экрана высоковольтных коаксиальных кабелей (для снижения электрических полей на границе проводника и изоляции). На основе полианилина и полипиррола создают миниатюрные электромеханические устройства – актюаторы, востребованные в робототехнике, а также материалы для бурно развивающихся направлений полимерной литографии.
На протяжении последних 25 лет интерес к электропроводящим полимерам неуклонно растет, а диапазон их практического применения расширяется. Это видно по объему регистрируемых патентов и растущему количеству научных публикаций с ключевыми словами «polyaniline» и «polypyrrole».
Динамика роста количества ежегодно публикуемых научных работ (a) и патентов (б) с ключевым словом «polyaniline» по сведениям базы данных SCOPUS.
О других применениях проводящих полимеров читайте также на наших веб-страницах:
Применения электропроводящих полимеров в химии. Материалы и покрытия.
Антикоррозионные присадки для ингибирования коррозии черных металлов.
Антистатические материалы и покрытия.
Электрохромные материалы и покрытия.
Биомедицинские применения электропроводящих полимеров.
Могут быть изготовлены биосовместимые электроды в виде слоя полимера на носителях, в том числе на живых тканях.
При подготовке веб-страницы использована следующая литература:
Jinqiu Zhou, Tao Qian, Mengfan Wang, Na Xu, Qi Zhang, Qun Li, and Chenglin Yan. Core−Shell Coating Silicon Anode Interfaces with Coordination Complex for Stable Lithium-Ion Batteries ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 5358−5365.
Hojin Choi and Hyeonseok Yoon. Nanostructured Electrode Materials for Electrochemical Capacitor Applications Nanomaterials 2015, 5, 906-936; doi:10.3390/nano5020906/
Peihua Yang, Wenjie Mai. Flexible solid-state electrochemical supercapacitors. Nano Energy (2014) 8, 274–290.
Мошников, В.А. Теруков Е.И. Основы водородной энергетики / В.А Мошников // Изд во СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Санкт-Петербург 2011. – С. 288.
Y. Gupta, K. Hellgardt 1, R.J. Wakeman Enhanced permeability of polyaniline based nano-membranes for gas separation Journal of Membrane Science 282 (2006) 60–70.
Kazantseva, N.E. Magnetic particle−filled polymer microcomposites, in: Sabu Tomas / N.E. Kazantseva // Polymer Composites Willey−VCH, Weinheim. − 2012. − V. 1. − P. 613−669.
Adam Pron, Pawel Gawrys, Malgorzata Zagorska, David Djurado and Renaud Demadrille. Electroactive materials for organic electronics: preparation strategies, structural aspects and characterization techniques Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 2577–2632 | 2577
Bai, H. Gas sensors based on conducting polymers / H. Bai, G. Shi // Sensors. − 2007. − V. 7. − P. 267−307.
Сапурина, И.Ю. Электропроводящие полимеры для низкотемпературных топливных элементов. / Сапурина И.Ю., Шишов М.А. // В книге «Основы водородной энергетики» под ред. Мошникова В.А., Терукова Е.И.− 2010. Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» − Г. 6. − С. 141−182.
Mirfakhrai1, T. Polymer artificial muscules / T. Mirfakhrai1, J. D. W. Madden, R. H. Baughman // Materials Today. − 2007. − V. 10. − P. 30−38.
Weng Sing Beh, In Tae Kim, Dong Qin, Younan Xia, and George M. Whitesides. Formation of Patterned Microstructures of Conducting Polymers by Soft Lithography, and Applications in Microelectronic Device. Fabrication Adv. Mater. 1999, 11, No. 12