Caracterizarea fizică și electrochimică a compozitelor nanostructurate

Abstract

Va prezentam caracterizarea fizica si electrochimica a compozitelor nanostructurate formate de sabloanele TiO2 si peliculele PEDOT-PPS.Sabloanele TiO2 au fost preparate prin tehnici sol – gel utilizand TiCl4 si TiF4 ca precursori ai titanului si adaugand un polimer solubil in fazele initiale ale sintezei sol – gel TiCl4 pentru a crea retele poroase de oxid. Efectul diferitilor precursori si mediile de legatura in cristalit si de particule a sabloanelor a fost urmarit prin studii XRD si SEM si corelat cu proprietatile electrochimice ale sabloanelor TiO2 inmuiate intr-o solutie conductoare de polimeri (PEDOT – PSS 1,3%). Am aflat ca microstructura are o influenta importanta in absorbtia polimerului conductor, ceea ce arata activitatea electrochimica superioara in matrice cu o hidroxilatie abundenta la suprafata, distributie vasta a patriculelor si carbon rezidual.Voltametria ciclica si datele de impedanta elecrochimica au aratat diferentele intre diversele sisteme TiO2 /PEDOT – PSS ,cele mai bune rezultate observandu – se la sistemele bazate pe sabloanele TiO2 obtinute prin metoda sol – gel TiCl4 si continand carbon rezidual mezoporos.

1.Introducere

Printre polimerii conducatori, mai multi derivati de politifon in special poli (3,4 – etilendioxitiofen) (PEDOT) au atras atentia din cauza conductivitatii electrice crescute, a transparentei,a stabilitatii structurale, a costurilor reduse, a morfologiei potrivite si a mecanismului de dopare/nedopare rapida [1,2].PEDOT este un polimer semiconductor care devine conductor cand este dopat fie cu poli(stiren sulfonat) (PSS), fie cu alte grupe de sarcini. PEDOT – PSS este o dispersie coloidala apoasa obtinuta adaugand PSS in amestecul reactant de polimerizare EDOT cand polielectrolitul dispersibil in apa este folosit ca agent echilibrare a sarcinii [3]. Datorita solubilitatii PEDOT – PSS,aceste pelicule se prepara usor prin diverse tehnici conventionale precum adaugarea solventului, invelire prin rotire si invelire prin inmuiere. Astfel exista posibilitatea de aplicatii multiple, cum ar fi cea cu electrizi [4].

Peliculele PEDOT – PSS , ca aproape toti polimerii conductori, sunt in general permeabile la molecule mici permitand fiecarui element de volum din materialul de electrozi la nivel molecular sa intre in contact cu solutia de electroliti,astfel rezultand o suprafata foarte eficienta.Mai mult, avantajul utilizarii dispersiei PEDOT – PSS este ca imunatateste cinetica procesului electrochimic(cinetica de incarcare – descarcare rapida) in comparatie cu polimerii masivi conductori [4]. Particulele coloidale ale PEDOT – PSS sunt incarcate negativ si umflate,astfel ca atunci cand sunt distribuite pe o anumita suprafata, particulele cu sarcini negative pot interactiona in functie de caracteristicile suprafetei.

Sistemele electrochimice si aparatele implica in special procese la interfata dintre un electrod si o solutie electrolitica. Cu cat interfata este mai mare, cu atat mai mare va fi viteza procesului si energia de depozitare in dispozitive de depozitare electrochimica, precum supracapacitoare. Acesta a fost un factor motivational pentru fabricarea suprafetei cu electrozi porosi cu elemente de structura la scara nanometrica. Insa apar de obicei probleme de genul unei conductivitati electronice scazute si o oarecare rezistenta la conectarea in serie [5], complicand utilizarea materialelor nanostructurate si poroase pentru a mari capacitatea aparatului [6,7]. Pierderea conductivitatii este de fapt o combinatie intre puterea scazuta de strapungere a microporilor prin electolit si mobilitatea slaba a electronilor ca si consecinta a cresterii numarului de granite de granule pe suprafata unitara [6].

Oxidul de titaniu a fost utilizat in supracapacitori electrochimici in ciuda faptului ca are o capacitate scazuta si nici un pic de pseudocapacitate. Ca de exemplu, matricile TiO2 au fost utilizate spre a spori capacitatea electrozilor compoziti bazati pe carbon reducand polarizarea electrozilor prin formarea unei regiuni cu sarcina pozitiva de golire la interfata cu carbonul [5]. Electozii de RuO2 sprijiniti de nanotuburi TiO2 au fost de asemenea fabricati pentru a spori dispersia de RuO2 si pentru a reduce costurile de electrozi [8,9]. Alte rapoarte sugereaza ca morfologia de suprafata este mai importanta decat faza cristalina a TiO2 pentru a influenta comportamentul electrochimic[10].

In aceasta lucrare s-au fabricat electrozi de pelicula pe baza sabloanelor TiO2 obtinute prin tehnici diferite sol – gel. Obiectivul nu a fost numai sa marim suprafata sabloanelor TiO2 inainte de depunerea de PEDOT – PSS,dar si sa inducem diferite caracteristici de suprafata pentru a studia interactiunea cu suspensia polimerica coloidala. In afara de efectul adsorbtiei de polimeri pe diferite sabloane TiO2, materialul hibrid poate de asemenea beneficia de efectul rectificator de combinare a oxizilor semiconductori de tip n cu materiale de tip p. Pentru a realiza aceasta, doi precursori de titaniu ( TiCl4 si TiF4) cu nucleatie si cinetica de policondensare diferite au fost folositi pentru a forma oxizii. Sabloanele astfel obtinute erau inmuiate in PEDOT-PPS. Proprietatile electrochimice ale acestor pelicule cu doua straturi au fost evaluate pentru a intelege efectul microstructurii TiO2 (particule, duritatea suprafetei,compozitia suprafetei) asupra adsorbtiei de polimeri. Mai mult, porozitatea a fost indusa pe sabloane TiO2 adaugand un compus organic de greutate moleculara ridicata in timpul sintezei sol – gel si eliminand termic o data ce polimerul inorganic s-a format. Adaugarea de molecule mari organice in timpul sintezei sol – gel previne de asemenea aglomerarea de TiO2 coloidad si ajuta la obtinerea unui compozit omogen. Aceasta abordare nu este noua si se cunoaste ca metoda hibrida organica – inorganica, care a fost aplicata pentru a produce pelicule cu noi proprietati [11,12].