Electrochemistry and novel applications of chemically synthesized conductive polymer electrodes

Date

2014-05-20

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Keemilise sünteesi meetodil valmistati juhtivpolümeersed (JP) elektroodid, mida on võimalik elektrokeemiliselt modifitseerida ümberdopeerimise või elektrokeemilise sünteesi meetodil. Uurimustöö peamine eesmärk oli välja arendada ja esialgselt optimeerida sünteesimeetodid sobivaks rakendusvaldkondadele, millel on kvalitatiivselt erinevad nõudmised JP elektroodide struktuurile ja ioonjuhtivusele. Keemilise ja elektrokeemilise sünteesi tingimused optimeeriti kahe kasutusala jaoks: tehislihased ja suure eripindalaga JP elektroodid. Töös kirjeldatavad JP elektroodid on valmistatud hüdrogeelide keemilise sünteesi ja mittejuhtivale pinnale sobiva kombineeritud keemilis-elektrokeemilise sünteesi meetoditel. Sellistel elektroodidel on mitmeid eeliseid võrreldes tavapäraste elektroodidega ning nende valmistamise meetoditega. Laialt-kasutatavatel JP-del, polüpürroolil ja PEDOT-il põhinevaid materjale ja neist valmistatud elektroode karakteriseeriti peamiselt elektrokeemiliste meetoditega. Näidati, et kombineeritud keemilis-elektrokeemilisel meetodil valmistatud metallivabad aktuaatorid lahendavad efektiivselt delamineerumisprobleemi ja vastavad kommertseesmärgil tootmise eelistustele, vältides väärismetallide, toksiliste orgaaniliste lahustite ja vaakumtehnoloogiate kasutamist. Teostati elektro-kemo-mehaaniline karakteriseerimine, mille tulemused näitasid, et valmistatud aktuaatorid on aktuatsiooniomadustelt võrreldavad alternatiivsetel meetoditel valmistatud aktuaatoritega. Täiendavalt kasutati väljaarendatud meetodit uut tüüpi, elektrolüüdi keskkonnas töötavate kolmekihiliste lineaarsete aktuaatorite valmistamiseks. Oksüdatiivse keemilise sünteesi meetodil valmistati suure eripindalaga polüpürrool-hüdrogeel elektroodid, kasutades laialt levinud keskkonnasõbralikke ühendeid ja lihtsat ühe-etapilist sünteesimeetodit. Suure eripindalaga polüpürrool-hüdrogeelid sobivad võimsustiheduse piirangute leevendamiseks JP-e kasutavates energiasalvestites, kasutamiseks kontrollitavaks ravimi manustamiseks, andurites jm. Kasutades polüpürrool-hüdrogeeli lähtematerjalina, valmistati polüpürrool-aerogeelid ja karboniseeritud aerogeelid, mis laiendavad veelgi uudse materjali kasutusvõimalusi.
Chemically synthesized conductive polymer (CP) electrodes were prepared for the following electrochemical modification by electrodeposition or electrochemical (re)doping. The principal goal of the research was to develop techniques and tentatively optimize the synthesis conditions to meet the needs of CP application areas with distinctively different expectations for the physical structure and ionic mobility of the CP electrodes. The conditions for the chemical and electrochemical synthesis were optimized for two CP application types: artificial muscles and high specific surface area electrodes. The presented techniques of chemical synthesis of the CP hydrogel electrodes and the novel combined chemical-electrochemical synthesis technique of CP on nonconductive substrates offer several advantages over traditional electrodes and preparation methods. The prepared materials and devices, based on widespread CPs polypyrrole and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PPy and PEDOT), were characterized using primarily electrochemical methods. It was shown that metal-free actuators, fabricated using the combination of chemical and electrochemical synthesis method effectively solved the delamination problem and facilitate the commercial production by avoiding the usage of precious metals, toxic organic solvents and vacuum techniques. The results of the electro-chemo-mechanical characterization indicate that the actuation performance of the prepared actuators compares well with the ones achieved using alternative techniques. In addition, the developed method was used for the preparation of a new type of liquid-operated tri-layer linear actuators. Large specific surface area pristine PPy hydrogel electrodes were prepared by the oxidative chemical polymerization using affordable environment-friendly compounds and a simple one-step synthesis method. Large specific surface area PPy hydrogels could be used to relieve the power density limitations of CP-related energy storage devices, for controlled drug delivery devices, sensors, etc. Moreover, using PPy hydrogel as a precursor, derived PPy aerogels and carbonized aerogels were prepared, further widening the number of possible applications.

Description

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Keywords

elektrit juhtivad polümeerid, keemiline süntees, elektroodid, elektrokeemia, conducting polymers, chemical synthesis, electrodes, electrochemistry

Citation