Kinga Sowa Toruń, dn. 14.01.2005

Piątek, 10¹⁵

ĆWICZENIE NR 6

Ogniwo polipyrolowe (wtórne).

WSTEP TEORETYCZNY

Jednym z ważniejszych polimerów przewodzących jest polipyrol, który wykazuje dużą trwałość, biokompatybilność i odporność na warunki atmosferyczne i. Jedną z najważniejszych metod otrzymywania polipyrolu jest polimeryzacja elektrochemiczna, gdzie jako aktywator stosuje się nadchloran sodu. Inicjacja procesu polega na utworzenie na drodze elektrolizy wolnego rodnika (
). Powstały rodnik aktywuje monomer (pyrol):

(1)

(2)

Powstały karbokation polipyrolu łączy się z kolejnym monomerem tworząc dimer, trimer itd.

Elektrochemiczne utlenianie pyrolu prowadzi do powstawania na elektrodzie cienkiego filmu polipyrolowego. Zachodzącą polimeryzację można przedstawić według poniższego schematu:

Dzięki usieciowaniu polipyrol wykazuje dużą sztywność. Dobór odpowiedniego przeciwjonu pozwala kontrolować właściwości fizyczne i chemiczne polipyrolu. Polipyrol znalazł zastosowanie jako materiał elektrodowy do konstrukcji wtórnych ogniw elektrycznych (elektronica), jako materiał na superkondensatory, do aparatów EKG, jako antystatyk. Z innymi polimerami można wykorzystywać go do otrzymywania kompozytów przewodzących, natomiast biokompatybilność polipyrolu pozwala używać go do tworzenia biosensorów.

I PODZIAŁ:

Ogólnie ogniwa galwaniczne dzieli się na ogniwa nieodwracalne i odwracalne:

A) W ogniwie odrwacalnym proces przebiegający podczas przepływu nieskończenie małego prądu jest odwracalny (w sensie termodynamicznym). Przykładem tego typu ogniwa jest ogniwo Harenda. Zachodzi w nim reakcja przedstawiana przy pomocy równania (3):

(3)

B) W ogniwie nieodwracalnym nie jest możliwe odwracalne przeprowadzenie procesów.

II PODZIAŁ:

Wtórne ogniwa galwaniczne dzieli się na ogniwa chemiczne i stężeniowe:

A) W ogniwach chemicznych energia dostarczana jest dzięki zachodzącej reakcji chemicznej. Wyróżniono chemiczne ogniwa z cienkimi połączeniami i bez cienkich połączeń.

• Ogniwa z cienkimi połączeniami charakteryzują się obecnością granicy styku dwóch różnych roztworów;

• Ogniwa bez ciekłych połączeń mają roztwór wspólny dla obu półogniw;

B) W ogniwach stężeniowych źródłem energii są procesy wyrównywania stężeń - powstają w wyniku połączenia dwóch jednakowych półogniw, które różnią się jedynie aktywnością materiału elektrodowego lub aktywnością jonów w roztworach elektrodowych. Przykładem ogniwa stężeniowego jest ogniwo amalgamatowe, przedstawione na schemacie (1):

(1)

III PODZIAŁ:

W tym przypadku kryterium podziału jest rodzaj źródła energii elektrycznej. Wyróżnia się ogniwa pierwotne, ogniwa wtórne (akumulatory) i ogniwa paliwowe.

A) Ogniwem pierwotnym jest ogniwo Leclanchego, przedstawione na schemacie (2):

(2)

Anoda to cylindryczne naczynie cynkowe, a katoda to pręt grafitowy otoczony dwutlenkiem manganu. Elektrolitem jest żel skrobi zawierający NH₄Cl i ZnCl₂.

B) Ogniwa wtórne nazywa to ogniwa galwaniczne. Po ich rozładowaniu, wymuszając przepływ prądu w kierunku przeciwnym do prądu pobieranego z ogniwa podczas pracy można przywrócić je do stanu wyjściowego. Przykładem ogniwa wtórnego jest akumulator Plante`go. Zawiera on ołowianą anodę i katodę z ołowiu pokrytą dwutlenkiem ołowiu. Elektrody zanurzone są w wodnym roztworze kwasu siarkowego. Ogniwo Plante'go przedstawia schemat (3):

(3)

C) Ogniwa paliwowe to niskonapięciowe źródła prądu. Prąd stały wytwarzany jest w sposób ciągły na drodze elektrochemicznego utleniania paliwa. Ogniwa paliwowe pracuje do momentu aż zabraknie paliwa i utleniacza. Ogniwa paliwowe dzieli się na:

• niskotemperaturowe;

• średniotemperaturowe;

• wysokotemperaturowe;

Istnieją także tzw. ogniwa rezerwowe wykorzystywane głównie przez wojsko oraz ogniwa magnezowe zawierające organiczny utleniacz, schemat (4):

(4)

OPIS WYKONANIA ĆWICZENIA

Przygotowano roztwór LiClO₄ w 100 ml metanolu. dodano do niego 1 ml pyrolu. Do roztworu zanurzono dwie platynowe elektrody, które połączono z zasilaczem i woltomierzem. Rozpoczęto elektrolizę przy napięciu 6V. Po upływie 45 min. zakończono elektropolimeryzację.

Do zlewki na 150 ml wlano 100 ml wody destylowanej i rozpuszczono w niej 3g KNO₃. Do tak przygotowanego roztworu zanurzono elektrodę polipyrolową i cynkową. Ogniwo podłączono do woltomierza i wykonano charakterystykę ogniwa przy oporze 100 Ω Przy zastosowaniu opornicy dekadowej.

OBILCZENIA

• Wyniki pomiaru zestawiono w poniższej tabeli:

t [min]	U [V]
0,5	1,1848
1,0	1,1714
1,5	1,1562
2,0	1,1422
2,5	1,1268
3,0	1,1164
4,0	1,0944
5,0	1,0733
6,0	1,0526
7,0	1,0342
8,0	1,0171
9,0	1,0009
10,0	0,9859
11,0	0,9705
12,0	0,9562
13,0	0,9431
14,0	0,9308
15,0	0,9195
16,0	0,9086
17,0	0,8980
18,0	0,8879
19,0	0,8782
20,0	0,8690
21,0	0,8594
22,0	0,8497
23,0	0,8410
24,0	0,8320
25,0	0,8282
26,0	0,8222
27,0	0,8111
28,0	0,8018
29,0	0,7938
30,0	0,7860
31,0	0,7790
32,0	0,7710
33,0	0,7633
34,0	0,7558
35,0	0,7481
36,0	0,7403
37,0	0,7326
38,0	0,7255
39,0	0,7183
40,0	0,7104
42,0	0,6958
44,0	0,6808
46,0	0,6664
48,0	0,6509
50,0	0,6377
52,0	0,6227
54,0	0,6081
56,0	0,5937
58,0	0,5786
60,0	0,5639
65,0	0,5255
70,0	0,4883
75,0	0,4560
80,0	0,4232
85,0	0,3465
90,0	0,2524
95,0	0,2172
100,0	0,1950
105,0	0,1790
110,0	0,1688
115,0	0,1592
120,0	0,1535

• Sporządzono wykres zależności U=f(t), znajdujący się w załączniku;

Po analizowaniu uzyskanego wykresu, należy zwrócić uwagę, że początkowo napięcie ogniwa polipyrolowego gwałtownie spada. Wraz z upływem czasu spadek napięcia jest już znacznie wolniejszy. Między 80 a 90 minutą trwania wyładowywania ogniwa nastąpił charakterystyczny skok (spadek wartości napięcia), który spowodowany jest pęknięciem warstewki polipyrolu pokrywającego elektrodę.

WNIOSKI KOŃCOWE

W powyższym ćwiczeniu dokonano syntezy polimeru przewodzącego - polipyrolu i zastosowano go w ogniwie wtórnym. Jedno półogniwo to aktywowany jonami ClO₄^- polipyrol, a drugie to półogniwo cynkowe.

Dokonano charakterystyki ogniwa, na podstawie pomiaru spadku napięcia w ogniwie przy obciążeniu 100Ω (opornica dekadowa). Z sporządzonego wykresu zależności U = f(t) należy wywnioskować, ze uzyskano ogniwo wtórne charakteryzujące się prawidłowym spadkiem napięcia podczas wyładowywania ogniwa - zgodnym z założeniami teoretycznymi.

---