聚苯胺在导电聚合物领域的广泛应用

聚苯胺（英语：Polyaniline，缩写PANI）是一种半柔性棒导电聚合物。尽管这一物质早在150年前就已发现，但直到1980年代由于其高导电性的再发现才获得了科学界的极大关注。在诸多导电聚合物与有机半导体中，聚苯胺有着多种吸引人的特性。由于其多种化学性质，聚苯胺成为了近50年来研究地最多的导电聚合物之一。

制备方法

传统的制备聚苯胺的方法主要有电化学法和化学氧化聚合法。这些制备方法处理过程复杂并且会产生大量的有机废物。近年来兴起的以聚苯胺纳米纤维为代表的导电聚合物纳米结构提供了比传统方法更廉价的解决方案。

图1 聚苯胺的氧化态

图2 形貌均一的聚苯胺纳米纤维及其在水中的分散性

聚苯胺在导电聚合物领域的广泛应用

2.1 传感器

Ⅰ. 气体传感器

气体传感器作为传感器研究领域的重要组成部分得到了越来越广泛的关注。对于纳米材料来说，由于其具有很高的比表面积和较短的扩散长度，因此具有很快的响应速度和极低的检出限。聚苯胺纳米纤维也因为具有以上的优点而可以被应用于多种化学蒸汽的探测。聚苯胺的半氧化态可以通过掺杂形成导电的半氧化态盐或者通过碱形成绝缘的半氧化态形式。因为半氧化态盐和半氧化态碱两种可逆形式间的电导率相差十个以上的数量级，因此已经用于多种酸性或碱性蒸汽的检测中。此外，聚苯胺基传感器还应用在氢气、湿度、NO2、CO、芳香类有机物和三硝基甲苯（TNT）等物质的探测中。

图3 用于测量传感器电阻变化的间隙电极（上左）和叉指电极（上右）以及表面声波器件（下）

Ⅱ. 生物传感器

聚苯胺在传感器领域的另一大应用就是生物传感器。由于其氧化还原化学反应对于信号放大具有明显作用，因此可以用聚苯胺纳米材料探测小分子、蛋白质和DNA等物质。对于致密薄膜来说，反应往往发生在薄膜的上表面和导电聚合物或反应物和分析物的界面间，远离其下的电极。而聚苯胺纳米纤维及其纳米复合物具有在中性环境电活性高、与不同有机和无机材料利用共价键连接而具有协同效应的优点，所以成为了生物传感器领域的候选。除了以上传感器的应用外，聚苯胺纳米纤维在可延展电子皮肤温度传感器和压力传感器等方面也得到了深入研究。

2.2 印刷电子

纳米聚苯胺良好的分散性使得可以用画笔、钢笔或者喷枪等工具绘制或沉积图案，而无需考虑其是否掺杂。不同的掺杂或未掺杂态可以用来制作导电、半导电或者绝缘的不同区域。此外，聚苯胺纤维也可以使用喷墨打印机来制作传感器、电路、导电层或者其他结构。

2.3 光电领域

Ⅰ. 电致变色

导电聚合物是一种出色的电致变色材料。当导电聚合物的氧化态发生变化的时候，其颜色会急剧变化，当给导电聚合物薄膜加上电势时，其颜色就会改变。变色薄膜拥有广泛的应用，例如在冬季透光透热而夏季反射辐射能量的窗户、柔性显示器、镜子以及其他器件。利用产生相反电荷的材料组成的叠层结构就是实现这些应用的直接方法。掺杂、去掺杂以及半掺杂的聚苯胺纳米纤维都可以形成叠层结构。由于其在不同pH中极高的稳定性，因此实际中常常使用自掺杂的纳米纤维。

Ⅱ. 光伏领域

纳米聚苯胺现在已经应用到了有机太阳能电池领域。聚苯胺纤维通常被认为是一种空穴导电材料，常用于和电子施主材料进行混合或涂覆于其表面。纳米纤维可以在太阳能电池内部形成互相贯穿的网络来增强电解液的扩散，并增加光生激子的施主/受主界面面积。这些较小的区域尺度降低了激子在达到用于通过异质结增加激子分离几率的界面前传输的距离。此外，多孔的结构也使电荷载流子在复合前更有效地传输到各自的电极上，增大了器件的电流和电压。

2.4 执行器

聚苯胺和其他共轭聚合物在执行器领域的应用已经进行了广泛的探索。通过插入电荷掺杂剂或者水等溶剂分子、氧化态的变化都可以改变这些聚合物的结构构象。聚苯胺纳米纤维就可以利用闪光焊制作单一材料的双簧片形制动器并得到非对称薄膜。这种双簧片形制动器移动迅速，并且比目前已知的异质或单一材料制作的弯曲制动器具有更大的移动范围。这都得益于纳米纤维垫更广泛的膨胀幅度。未来的研究应更关注结构性双簧片形及高应变制动器的研究，并将可控运动和功能的纳米制动器用于纳米机器中。

2.5 超级电容器

超级电容器由于循环寿命长、功率密度高并且能够在几秒中内进行充放电，因此是一种极具应用前景的储能器件。超级电容器通常由具有离子电解液的绝缘层隔开的正极和负极组成。双层电容和赝电容是常用的两种电容器。双层电容器由于电极和电解液间静电荷的储存而工作，而赝电容则是与可逆氧化还原反应或感应电荷的转移有关。聚苯胺因为具有多重的氧化还原态，也就是说在不同氧化态间变化时会产生大量的表面电荷电势，因此其具有较高的电容值。聚苯胺纳米纤维具有较高的比表面积，具有比其块体更高的电容值。由于其较高的电荷储存能力、重量轻以及良好的环境稳定性，所以相比更昂贵的钌的氧化物，聚苯胺的单位质量的电容值更高，应用潜力更为巨大。

文献链接：Polyaniline nanofibers: broadening applications for conducting polymers（Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/C6CS00555A）