實驗十九 導電高分子的合成

一、目的

利用化學反應與電化學方法合成具導電性的聚吡咯（polypyrrole, PPy）材料。

二、原理

在一般觀念中固態有機化合物無論分子大小都是絕緣體，但在 1950 年代，科學家意外發現某些有機物質具有導電性。在 1970 年代 A. G. MacDiarmid、A. J. Heeger 和白川英樹等三位科學家開始對導電高分子（又稱合成金屬 synthetic metals），展開大規模有系統的研究，而在 2000 年獲得諾貝爾化學獎。

我們可藉由使用不同的單體、摻雜、與合成方式，製作出具有不同導電特性的高分子材料。和傳統金屬導體、半導體材料相比，有機高分子具有質輕和更多樣的其他物理和化學性質，是非常具有應用潛力的材料。

聚吡咯是最早被發現研究的導電高分子之一，吡咯的聚合反應可藉加入氧化劑（如氯化鐵）或電化學方式進行。聚吡咯分子具有龐大的共軛雙鍵系統，能形成能隙（band gap）不大的導帶與價帶，若在合成過程中加入其他離子，則類似半導體材料的摻雜，能有效提高聚吡咯的導電度。

三、器材及藥品

器材：

100 mL 燒杯、30 mL 塑膠皿、滴管、玻棒、抽氣過濾裝置、直流電源供應器、不銹鋼電極片×2、玻片、膠帶、三用電表、電磁加熱攪拌器

藥品：

0.1 M 吡咯水溶液、0.1 M 十二烷基苯磺酸鈉（sodium dodecylbenzenesulfonate）水溶液、1.5 M FeCl₃ 

四、實驗步驟

電化學合成：摻雜陰離子界面活性劑之聚吡咯薄膜

1. 100 mL 燒杯中裝入 0.1 M 吡咯水溶液、0.1 M 十二烷基苯磺酸鈉水溶液各 10 mL，輕輕搖晃使溶液混合均勻。

2. 將電源供應器之電壓、電源輸出先歸零。如下圖，連接不銹鋼片電極並放入燒杯，注意勿使兩片電極互相接觸而造成短路。

3. 開啟電源供應器，調整輸出電壓在 2.5 至 4.0 V 間，觀察黑色的聚吡咯產物在哪個電極生成。反應 10 至 20 分鐘後關閉電源供應器，取出不銹鋼電極。

4. 以水輕輕沖洗有聚吡咯產物的電極，並以衛生紙輕輕拭去其上的殘留水滴。

5. 使用膠帶粘住有聚吡咯產物的電極，壓實後小心撕起膠帶。黑色聚吡咯薄膜將被轉移至膠帶上。

   殘留在不銹鋼電極上的黑色聚吡咯可用此方法清除乾淨。

6. 以三用電錶測量膠帶上黑色聚吡咯薄膜兩端，以及乾淨膠帶的電阻。

使用 FeCl₃ 合成摻雜氯離子之聚吡咯粉末：

5. 取 30 mL 塑膠皿，加入 5 mL 之 1.5 M FeCl₃ 溶液。

   注意：因產物會附著於玻璃上無法清除乾淨，勿使用玻璃器皿進行此實驗

6. 以滴管慢慢滴入 5 mL 之 0.1 M 吡咯水溶液，並輕輕搖晃塑膠皿，觀察溶液變化。

7. 等待 10 分鐘，使用抽氣過濾裝置過濾，並以 10 mL RO 水清洗沈澱物。

8. 取出盛有沈澱物濾紙，以電磁加熱攪拌器溫和烘乾，加熱溫度不可過高以免產物分解甚至燒焦濾紙，並以玻棒將黑色產物粉末輕輕壓實。

9. 以三用電錶測量濾紙上黑色產物的電阻。

10. 廢棄物分類回收：

• • 電化學法 → 無機–鹼性水溶液
  • FCl₃ 法 → 無機–重金屬水溶液

五、實驗結果

電化學合成

      黑色薄膜生成電極：                 反應中觀察現象：

      聚吡咯薄膜電阻：

使用 FeCl₃ 合成

      反應溶液變化：                        聚吡咯電阻：

六、問題與討論

1. 電化學合成法中，聚吡咯和氣泡分別生成於陽極還是陰極？氣泡中的氣體為何？

2. 若僅使用吡咯水溶液而不添加任何電解質，則不易以電化學方法合成聚吡咯。為什麼？

3. 請寫出使用 FeCl₃ 合成聚吡咯的反應式。

4. 依照你平時對塑膠材料的印象，導電高分子材料可能有哪些物理特性是傳統金屬或半導體材料所無法做到的？

5. 如果你想用聚吡咯為電路板上的導線，你會使用電化學還是化學合成法製作？為什麼？