Зміст

Вступ…………………………………………………………………………….

Розділ 1. Наукова частина…………………………………………………….

1.1. Огляд літератури…………………………………………………………..

1.1.1. Електрохімічний синтез та властивості поліаніліну та поліпіролу..

1.1.2. Метанол та його використання в паливних метанольних елементах.

1.1.3. Використання композитів на основі електропровідних полімерів та благородних металів як електрокаталізаторів окиснення спиртів

1.1.4. Одержання графену то його композитів. Їх застосування як електрокаталізаторів в паливних елементах…………………………………..

1.2. Методики проведення експерименту……………………………………..

1.3. Обговорення результатів експерименту…………………………………..

1.3.1. Дослідження наноструктурованих композитних матеріалів на основі поліаніліну та поліпіролу як електрокаталізаторів окислення метанолу.……………………………………………………………………

1.3.2. Одержання та функціональні властивості гібридних плівок типу електропровідний полімер (або його композит) – іонпровідний співполімер на основі частково сульфованого полістиролу ………….

Розділ 2. Охорона праці та навколишнього середовища……………………

Вступ……………………………………………………………………………..

2.1. Аналіз шкідливих та небезпечних факторів, діючих на працівників

розглядаємого відділу Інституту……………………………………..

2.2. Пожежна безпека………………………………………………………

2.3. Охорона навколишнього середовища……………………………….

Розділ 3. Економіко-організаційні розрахунки………………………………….

Вступ………………………………………………………………………………

Розрахунок собівартості виконання НДР………………………………………

3.1. Вартість реактивів і матеріалів, що використовувалися при

виконанні НДР…………………………………………………………

3.2. Вартість електроенергії спожитої при виконанні НДР…………….

3.3. Амортизаційні відрахування…………………………………………

3.4. Розрахунок заробітної плати наукових співробітників……………

3.5. Непрямі витрати……………………………………………………….

3.6. Калькуляція собівартості…………………………………………….

Висновки…………………………………………………………………….

Перелік посилань………………………………………………………………..

Вступ

В останній час набули широкого розвитку дослідження зі створення наноструктурованих електропровідних полімерів (ЕПП), а також нанокомпозитів на їх основі, що обумовлено значними перспективами застосування таких матеріалів у сучасних та майбутніх технологіях. Серед таких матеріалів можна зазначити 1-D наноструктури ЕПП (нановолокна, нанотубули) та гібридні нанокомпозити на основі ЕПП та оксидів перехідних металів, які, зокрема, можуть бути застосовані як молекулярні будівельні блоки в наноелектронних пристроях, транзисторах, сенсорах та актюаторах, енергоперетворюючих системах тощо.

Одним з перспективних напрямків використання ЕПП – є створення на їх основі електрокаталізаторів різних процесів, враховуючи, що ЕПП здатні виступати як ефективні носії каталітично активних частинок, зокрема платини, яка є одним з найкращих каталізаторів багатьох електрохімічних реакцій.

Мета першої частини даної роботи полягала у розробці методів формування плівкових, в тому числі структурованих, матеріалів на основі поліпіролу (ППі) та поліаніліну (ПАн), з нанорозмірною платиною, а також гібридних композитів на основі ЕПП, оксидів перехідних металів та платини; дослідженні їх редокс характеристик та електрокаталітичної активності в реакції окиснення спиртів, зокрема метанолу.

Для ряду електрохімічних застосувань важливою проблемою є нанесення ЕПП або композитів на їх основі на поверхню електроду, що з успіхом вирішується, зокрема, за рахунок використання суспезії електропровідних матеріалів у розчині іонпровідного полімеру. Дослідження, що проводяться в цьому напрямку сфокусовані головним чином на системах типу ЕПП-нафіон. В той же час відомості про можливість використання інших іонпровідних полімерів, в першу чергу комерційно доступних, для створення композитів типу типу ЕПП—іонпровідний полімер, або нанокомпозит на основі ЕПП—іонпровідний полімер є досить обмеженими, що не дозволяє в повній мірі стверджувати про переваги або недоліки таких систем порівняно з традиційними на основі нафіону.

Враховуючи викладене, іншим важливим завданням роботи було створення та дослідження електрохімічних характеристик гібридних композиційних плівок ЕПП (в тому числі структурованих) або нанокомпозиційних матеріалів на їх основі з комерційно доступним (Aldrich) іонпровідним співполімером на основі частково сульфованого полістиролу, поліетилену та полібутилену (sulfonated polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene), а також встановлення можливості прояву ними електрокаталітичних властивостей в реакції окислення метанолу.

Розділ 1 Наукова частина

1.1. Огляд літератури

1.1.1. Електрохімічне одержання електропровідних поліаніліну та поліпіролу та їх редокс-властивості

Поліанілін (ПАн) був вперше одержаний в 1840 р., але його грунтовні дослідження були розпочаті лише наприкінці ХХ сторіччя, після встановлення його унікальних електропровідних властивостей [1-3].

Зазвичай ПАн отримують хімічною або електрохімічною окислювальною полімеризацією аніліну в середовищі водних розчинів сильних мінеральних кислот [2-4]. Вважається, що першою стадією реакції є стадія депротонування аніліну, після чого відбувається відщеплення атома водню з утворенням катіон-радикалу аніліну, що ініціює полімеризацію. Як правило, для одержання порівняно великої кількості ЕПП, а також для синтезу розчинних форм ПАн, приготування композитів з полімерами-діелектриками або композитних матеріалів з рядом неорганічних сполук (наприклад, оксидів або халькогенідів перехідних металів) використовують хімічний синтез полімеру. Дуже важливим для ряду практичних застосувань є електрохімічний синтез ПАн на поверхні електродів різної природи. При цьому ЕПП отримують у вигляді тонкої плівки на поверхні інертного електроду шляхом анодного окислення аніліну у водних розчинах сильних мінеральних кислот або в неводному середовищі [3, 5, 6].

На даний час традиційними методами електрохімічного одержання ПАн є потенціодинамічний, потенціо- та гальваностатичні способи. Відомий також імпульсний гальваностатичний метод отримання ПАн [7]. Змінюючи параметри хімічного або електрохімічного синтезу ПАн, можна досить легко керувати різними властивостями ПАн (розміром частинок, електропровідністю, площею поверхні та морфологією полімеру), що відкриває широкі перспективи в практичному застосуванні такого матеріалу. Наприклад, можливо одержувати полімер різної морфології – від сферичних частинок діаметром 0,5 мкм до нановолокон / нанотрубок діаметром 80 нм та довжиною 300 нм.

Поряд з ПАн, не менший інтерес дослідників пов’язаний з іншим представником ЕПП – поліпіролом (ППі), який характеризується високою електропровідністю, стабільністю в окисненому стані, цікавими редокс-властивостями, простотою синтезу та доступністю вихідного мономеру – піролу.

_{При хімічному синтезі ППі звичайно отримують у вигляді чорного порошку окислювальною полімеризацією піролу у водних або змішаних середовищах} [1-4]. При цьому вибір розчинника і окислювача, початкове молярне співвідношення між піролом і окислювачем, час і температура полімеризації в значному ступені впливають на вихід і електропровідність ЕПП [2, 3, 4]. _{В якості окисника піролу при синтезі ЕПП широко використовується насамперед водна або безводна сіль FeCl3}, інші солі тривалентного заліза або двовалентної міді [8].

Електрохімічна полімеризація піролу є ефективним методом одержання плівок ППі [8-11] і має ряд переваг перед хімічним одержанням даного полімеру. По-перше, продуктом реакції є електроактивна плівка на поверхні електрода, яка має високу електропровідність. По-друге, вихід по струму близький до 100%, що дозволяє отримувати плівку потрібної маси і товщини. І, по-третє, властивості полімерної плівки можна контролювати в процесі її синтезу. Полімер, що утворюється при електролізі одночасно допується, при цьому допуючі іони виходять з електроліту. Фізико-механічні властивості плівок ППі, їх морфологія та електрохімічна поведінка залежать від умов отримання, рН електроліту, природи розчинника, концентрації та чистоти мономеру, природи та концентрації фонового електроліту [8, 11].

Розглядаючи редокс-властивості ПАн слід зазначити, що більшість літературних даних відноситься до водних розчинів, причому основним фактором, який впливає на електрохімічні характеристики поліаніліну в таких системах є рН середовища [9, 10, 12]. Відомо, що редокс-механізм ПАн у водних розчинах неорганічних кислот визначається перенесенням протонів при низьких значеннях рН та аніонів - при високих. На відміну від рН, природа кислоти, як правило, помітно не впливає на стан і форму редокс-піків ПАн на циклічних вольтамперограмах (ЦВА).

На відміну від водних розчинів, відомості про редокс-властивості ПАн в органічних середовищах помітно обмежені і досить суперечливі. Вважається, що в органічних електролітах редокс-механізм ПАн не включає обмін протонами з розчином, а в редокс-перетвореннях ПАн приймають участь тільки аніони. В нейтральних апротонних розчинниках, подібно до нейтральних водних розчинів, редокс-процеси відбуваються повільно та піки на ЦВА помітно розширені. На швидкість процесу втрати ПАн електрохімічної активності в слідстві незворотного процесу депротонування сильний вплив спричиняє природа розчинника і аніона-допанта, що ймовірно пов'язано з різницею стійкості іонних пар протон-аніон і їх сольватації.

Поліпірол має аморфну структуру, крім того, в його аморфній масі присутні кристалічні області ( до 15% від загального об’єму) [13].

Плівки ППі, що одержані за допомогою електрохімічних методів, існують в окисленому провідному стані [14]. Оскільки полімер в цілому повинен бути нейтральним, то позитивний заряд полімерного “каркасу” компенсується аніонами. Електронейтральність системи повинна зберігатись і в ході електрохімічного відновлення та наступного окиснення плівки полімеру; це досягається рухом в плівці аніонів та катіонів. В багатьох випадках рухливість аніонів в плівці полімеру достатньо висока для того, щоб забезпечити електронейтральність полімеру в ході окислювально-відновного циклювання в реальному масштабі часу. Участь катіонів в цьому процесі визначається рухливістю аніонів, при зниженні якої ця участь стає більш суттєвою. Варіюючи умови синтезу плівки, можна змінювати внесок різних іонів на підтримку електронейтральності. Було встановлено, що рухливість аніонів істотним чином залежить від швидкості осадження плівки ППі. Плівки, синтезовані при більш низьких густинах струму, відрізняються більшою щільністю, і рухливість аніонів в них нижча, ніж в плівках, вирощених при більш високих густинах струму. Поліпірол достатньо стабільний та може бути використаний в якості неметалічного електродного матеріалу [15].