[论文解读] Thermal stability and optoelectronic behavior of polyaniline/GNP (graphene nanoplatelets) nanocomposites

Pralhad Lamichhane, Dilli Dhakal+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2022

Conducting polymers and applications被引用 5

一句话总结

本研究通过过硫酸铵作为氧化剂的原位氧化聚合方法，合成了聚苯胺/石墨烯纳米片（PANI-GNP）纳米复合材料，证实其热稳定性增强且光学与电学性能可调。主要结果表明，随着GNP含量增加（最高至15 wt%），带隙减小且热降解抗性提高，证实PANI-GNP在先进光电器件应用中具有潜力。

ABSTRACT

Polyaniline and graphene nanoplatelets (PANI-GNP) nanocomposites are synthesized by in situ oxidative polymerization of polyaniline using an oxidizing agent, ammonium peroxy disulphate (APS). The mass of GNP in the nanocomposites varied by 5, 10, and 15 wt% compared to PANI. The synthesized polyaniline coated graphene nanoplatelets (PANI-GNP) nanocomposites are chemically characterized and using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, Scanning electron microscopy (SEM), UV-Vis spectroscopy, and X-ray diffraction analysis (XRD). FTIR and Raman spectroscopy analysis confirmed the uniform coating of polyaniline on GNP. The SEM micrograph and XRD pattern demonstrate the polymerization quality and crystallization degree of samples. UV-Vis analysis showed a decrease in the bandgap of polyaniline, which confirms that nanocomposites are more suitable for optoelectronic application because of variation in the bandgap. TGA analysis showed the thermal stability of PANI is increased with the increased mass of GNP. This study suggests the potential of GNP as a filler for efficient modification in the morphological, electrical, optical, and thermal properties of PANI.

研究动机与目标

• 开发具有改进热性能和光电性能的PANI-GNP纳米复合材料，以适用于先进电子应用。
• 研究不同GNP含量（5、10、15 wt%）对PANI结构与功能特性的影响。
• 通过化学与形貌表征评估聚苯胺与石墨烯纳米片之间的界面相互作用。
• 评估PANI-GNP复合材料的热稳定性和带隙调制性能，以判断其在光电器件中的适用性。
• 确定最优GNP负载量，以最大化电学、光学和热学性能。

提出的方法

• 通过过硫酸铵（APS）作为氧化剂，采用原位氧化聚合方法合成PANI-GNP纳米复合材料。
• 将GNP负载量分别设定为相对于聚苯胺的5、10和15 wt%，以研究浓度依赖性影响。
• 采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱确认化学键合及PANI在GNP表面的均匀包覆。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析表面形貌与结晶度。
• 通过紫外-可见光谱（UV-Vis）测定光学带隙，评估其光电性能适用性。
• 采用热重分析（TGA）评估热稳定性和热降解行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯纳米片（GNP）的引入如何影响聚苯胺的热稳定性？
• RQ2 GNP负载量在多大程度上改变PANI-GNP纳米复合材料中聚苯胺的光学带隙？
• RQ3 FTIR和拉曼光谱确认的聚苯胺与GNP之间的包覆均匀性及界面相互作用程度如何？
• RQ4 GNP含量如何影响纳米复合材料的结晶度和表面形貌？
• RQ5 通过可控的GNP负载量，能否实现PANI-GNP纳米复合材料在光电性能方面的优化？

主要发现

• TGA分析证实，随着GNP含量增加，PANI的热稳定性提高，表明其对热降解的抵抗能力增强。
• UV-Vis光谱分析显示，PANI-GNP复合材料的带隙较纯PANI有所减小，提升了其在光电应用中的适用性。
• FTIR和拉曼光谱证实，聚苯胺在石墨烯纳米片表面实现了成功且均匀的包覆。
• SEM显微图像和XRD图谱表明，随着GNP负载量增加，聚合质量提高，结晶度得到有效调控。
• 15 wt% GNP复合材料表现出最优的热稳定性和带隙减小组合。
• 本研究证实，GNP可作为有效填料，实现对PANI形态、电学、光学和热学性能的多功能增强。