CC BY
8
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
DOI -10.32743/UniChem.2024.124.10.18346
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ ГИДРОФИЛЬНОГО ПРОИЗВОДНОГО ПОЛИВИНИЛИМИДАЗОЛА
Отаджонов Сардорбек Рахим угли
базовый докторант Национального университета Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: [email protected]
Сидрасулиева Гоззал Бекбергеновна
докторант
Национального университета Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Каттаев Нуритдин Тураевич
д-р хим. наук, профессор Национального университета Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Акбаров Хамдам Икрамович
д-р хим. наук, профессор Национального университета Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Мамадалимов Абдугафур Тешабаевич
д-р физ. -мат. наук, профессор Национального университета Узбекистана,
академик АН РУз, Республика Узбекистан, г. Ташкент
STUDY OF THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF A HYDROPHILIC DERIVATIVE
OF POLYVINYLIMIDAZOLE
Sardorbek Otajonov
PhD student
at the National University of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent
Gozzal Sidrasulieva
DSc student
at the National University of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent
Nuritdin Kattaev
Doctor of Chemical Sciences, Professor of the National University of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent
Khamdam Akbarov
Doctor of Chemical Sciences, Professor of the National University of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ ГИДРОФИЛЬНОГО ПРОИЗВОДНОГО ПОЛИВИНИЛИМИДАЗОЛА // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Отаджонов С.Р. [и др.]. 2024. 10(124). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/18346
Abdugafur Mamadalimov
Professor of the Department of the National University of Uzbekistan, Tashkent, Uzbekistan
АННОТАЦИЯ
Исследовано электропроводимость гидрофильного производного поливинилимидазола (PVim), полученного методом полимераналогичного превращения поливинилимидазола (PVim) под воздействием гидробромида 3-бромопропиламина. Показано, что в результате возрастания гидрофильности полимерной матрицы PVim удельная электропроводимость возрастает, что объясняется уменьшением энергии активации. График зависимости силы электрического тока, проходящего через образец, от напряжения электрического тока, приложенного к образцам, имеет вид, характерный для полупроводниковых материалов. Установлено, проводимость также увеличивается при облучении образцов ультрафиолетовым светом с энергией hv=5,0 эВ. Резкое увеличение проводимости при насыщении ультрафиолетом можно объяснить явлением внутреннего фотоэффекта.
ABSTRACT
The electrical conductivity of the hydrophilic derivative of polyvinylimidazole (PVim) obtained by the polymer-analogous transformation of polyvinylimidazole (PVim) under the influence of 3-bromopropylamine hydrobromide was investigated. It was shown that as a result of the increase in the hydrophilicity of the PVim polymer matrix, the specific electrical conductivity increases, which is explained by a decrease in the activation energy. The graph of the dependence of the electric current passing through the sample on the voltage of the electric current applied to the samples has a form characteristic of semiconductor materials. It was found that the conductivity also increases when the samples are irradiated with ultraviolet light with an energy of hv=5.0 eV. A sharp increase in conductivity upon saturation with ultraviolet light can be explained by the phenomenon of the internal photoelectric effect.
Ключевые слова: поливинилимидазол, вольт-амперная характеристика, полупроводник, внутренний фотоэффект.
Keywords: polyvinylimidazole, voltamperometric characteristic, semiconductor, internal photoelectric effect.
I. Введение
Благодаря ряду преимуществ, таких как легкость, простота синтеза и процесса изготовления, проводящие полимеры стали привлекать значительно большее внимание ученых в последнее время. Однако большинство электропроводящих полимеров обладает нежелательными характеристиками, такими как нерастворимость, плохая обрабатываемость и плохая атмосферостойкость [1]. Для решения таких проблем используются различные методы, например, приготовление смесей, синтез блок- или привитых сополимеров, в которых один компонент является потенциально проводящим полимером, а другой компонент увеличивает растворимость и улучшает механические свойства и технологичность.
Показано, что введение в структуру полимеров гетероатомов (^ S) приводит к улучшению их электропроводимости. Также оказывает влияние электроотрицательность и индуктивный заряд заместителей на молекулярные показатели полимеров, такие как электронодонорные и электроноакцеп-торные свойства. Таким образом, в случае, если имеются принципиально подходящие заместители и допанты, тогда даже в неконъюгированных структурах, таких как поливинилимидазол, может наблюдаться заметный рост трансфера заряда между полимером и допантом [2-3].
Поли^-винилимидазол) является
перспективным полимером, так как имеет богатое электронами ароматическое кольцо с гетероатомами, подобным пиридину, пирролу, тиофену и др., и, следовательно, может образовывать комплексы с переносом заряда с акцепторами электронов. Поэтому изменение индуктивного заряда заместителей должно приводить к перераспределению электронной плотности, т. е. электронной структуры полимера [4-6]. В этой связи данное исследование посвящено исследованию электро- и фотоэлектропроводящих свойств производного поливинилимидазола.
II. Материалы и методы
Объектом исследования служил производное поливинилимидазола, полученное химической модификацией последнего под воздействием гидробромида бромопропиламина с чистотой >99%, продукта фирмы Sigma-AИrich использованного без предварительной очистки. Процесс проведен согласно методике, приведенной в работе [7], опубликованной нами ранее.
Вольт-амперные характеристики PVim и его производного (под условным обозначением PVIm-Et-NH2) изучали на установке, схема которой приведена на рис. 1:
Рисунок 1. Схема установки измерения вольт-амперных характеристик образцов (где: V - вольтметр, А - амперметр)
III. Полученные результаты и их обсуждение
Известно, что одним из наиболее широко используемых методов описания токопроводимости и других электрических свойств полупроводниковых материалов, диодов, тиристоров и т. д., является определение вольт-амперометрических характеристик (ВАХ) [8]. ВАХ проводника представляет собой графическое изображение зависимости между определенным
напряжением, приложенным к этому материалу (с определенным сопротивлением), и током, протекающим через него.
Так, при исследовании свойств проводимости прямого и обратного тока полимерных образцов при температуре 297 К и диапазоне изменений напряжения 0-100 В было установлено, что проводимость прямого и обратного тока для образцов совпадают, т.е. одинаково в обоих направлениях (рис. 2).
-125 -100 -75
I(nA) 1000 -800 -600 -400 -200
-1-■-1-г0-
■
-200 --400 -600 -800 -1000 -
-25
PVIm a
100 125
U(V)
I(mA)
20015010050-—i--0-
-150
-100
-50
-50
I
-100 -150 -200
PVIm-Et-NH2
b
50
100
150 U(V)
Рисунок 2. Зависимость прямой (а) и обратной электропроводимости (Ъ) PVIm и PVIm-Et-NH2
от приложенного напряжения
0
25
50
75
0
Как видно из рис. 2, график зависимости силы электрического тока, проходящего через образец, от напряжения электрического тока, приложенного к образцам, имеет вид характеристической кривой для полупроводниковых материалов.
Как известно, в полупроводниках передача электричества осуществляется благодаря обобщенному состоянию зарядов и их устойчивому течению, в отличие от проводников тока. При этом энергия, необходимая для перехода электронов в зону проводимости полупроводниковых материалов, называется энергией активации запрещенной зоны Et.
Когда температура начинает подниматься выше 0 К, валентные электроны начинают двигаться под действием тепловой энергии. Как только электроны в валентной зоне получают необходимую им энергию, они перемещаются в зону проводимости,
а пространство в валентной зоне остается пустым, то есть образуют ямку. Во внутренних полупроводниках электроны и вакансии, созданные тепловой энергией, располагаются парами, в результате количество дырок в валентной зоне равно числу электронов в зоне проводимости.
Энергия активации проводимости полупроводниковых материалов — это минимальная энергия, необходимая для того, чтобы валентный электрон отделился от атома и стал подвижным носителем заряда.
В ходе исследований рассчитана энергия активации E, необходимая электронам зоны проводимости и «дырок», расположенных в валентной зоне, для внесения вклада в ток проводимости для каждого образца синтезированных объектов исследования.
Энергию активации синтезированных образцов рассчитывали по температурной зависимости проводимости тока при определенном потенциале.
м
^ -6,5-
РУ1т И2=0,98
2,8 2,9
3,0 3,1
1000/Т
3,2 3,3
-0,6
-0,7
-0,8
0,9
-1,0
-1,1
2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 1000/Т
3,3
Рисунок 3. Температурная зависимость проводимости PVIm и PVIm-Et-NH2
5,0
5,5
6,0
7,0
7,5
Так значения энергии активации PVIm и PVIm-Et-NH2 составляют 0,17 и 0,92 эВ, соответственно, что свидетельствует об увеличении электропроводимости в результате гидрофилизации полимерной матрицы.
Установлено, что вольтамперометрические характеристики (ВАХ) материалов PVIm и PVIm-Et-NH2 в темноте и при освещении УФ-светом (йр=5,0 эВ) имеют линейный характер (рис.4).
800-
600
( 400-
200
0 20
200
150
• 100
50
0
40 60 и(У)
80 100
0
20 40 60 и(У)
Рисунок 4. ВАХ PVIm (а) и PVIm-Et-NH2 (Ь) в темноте и при освещении УФ-светом
80 100
0
Как видно из приведенных результатов, сила тока линейно возрастает с увеличением напряжения PVIm и PVIm-Et-NH2 в темноте и при насыщении ультрафиолетовым светом. Эту закономерность можно описать законом Ома. Также было замечено, что при подаче РУ1т напряжения 0-100 В в темноте сила тока резко возрастает до 38-529 нА. Напротив, было замечено, что при увеличении напряжения до 0-100 В во время УФ-насыщения ток резко возрастал до 84-813 нА. Такая же ситуация наблюдалась и в PVIm-Et-NH2, т.е. при подаче напряжения 0-100 В в темноте ток резко увеличивался до 3-14,5 мА. Напротив, при насыщении ультрафиолетом при повышении напряжения до 0-100 В наблюдалось
резкое увеличение тока до 22,3-202 мА. Следует отметить, что в обоих случаях (в темноте и насыщенном УФ-свете) сила тока в PVIm-Et-NH2(I, мА) увеличивается на два порядка по сравнению с PVIm (!,нА). Резкое увеличение проводимости при насыщении ультрафиолетом по сравнению с проводимости, полученным в темноте, можно объяснить явлением внутреннего фотоэффекта [8].
Другими словами, по электропроводимости синтезированный PVIm-Et-NH2 находится в миллиамперной области, т.е. его можно отнести к низкоомным материалам. Можно заметить, что при освещении образца УФ-лучами его электропроводимость увеличивается больше, чем на порядок.
Фотоэффект связан с изменением электрофизических свойств полупроводников под воздействием электромагнитного излучения. Фотопроводимость в полупроводниках основана на собственном фотоэффекте. Под действием квантов света внутреннего фотоэффекта носители заряда (электроны или дырки) не покидают полупроводник, а лишь переходят в более высокое энергетическое состояние (например, из валентной зоны в зону проводимости). В этом случае основным процессом является поглощение фотонов (поглощение решеткой, примесью и другими свободными носителями заряда). Однако не все механизмы поглощения изменяют электрические свойства полупроводника в одинаковой степени. Электропроводность в полупроводниках зависит от концентрации и подвижности свободных носителей заряда.
Основным фактором собственного фотоэффекта является поглощение фотонов. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда происходит с разными факторами в зависимости от свойств процесса поглощения света полупроводником. Удельная фотопроводимость возникает при межзонном переходе. В полупроводниках энергия фотона при прямом межзонном переходе не должна быть меньше энергии запрещенной зоны, т. е. Ьу > Eg. Если полупроводник имеет входной уровень в запрещенной зоне, оптическое поглощение может привести к электронным переходам между этими уровнями и энергетическими областями. Такая фотопроводимость называется входной фотопроводимостью.
420 400380360340320300280260240-
0
5
10 15 t(min)
20
25
30
100
95
90
85
PVIm-Et-NH2 b
hv=5eV
0
5
20
25
10 15 t(min)
Рисунок 5. Кинетика фотоэлектропродимости РУШи PVIm-Et-NH2 при T=293 K и U = 50 В
Была исследована кинетика фотопереноса РУ1т и РУ1ш-Б1-ЫН2 (рис. 5). Это исследование показывает, что наблюдается увеличение фототока при освещении УФ-светом (Х=254 нм) и долговременная релаксация фотопроводимости при выключении УФ-света. Отмечено проявление явления внутреннего фотоэффекта. Стационарное значение фотопроводимости достигается не мгновенно, то есть значение насыщения достигается через определенное время после светового воздействия на полупроводник. Такая же ситуация ожидалась и в результате, полученном на рис. 5. Так, время от начала фотопроводимости до насыщения РУ1т и РУ1ш-Б1-ЫН2 соответственно составляет 18 и 7 минут. Таким, образом измерение кинетики фотопроводимости в процессе УФ-светового облучения показывает, что рост фототока подчиняется экспоненциальному закону. После снятия УФ-облучения наблюдается длительная релаксация фотопроводимости.
IV. Заключение
Таким образом, показано, что усиление гидро-фильности боковых групп макромолекул РУ1ш в результате полимераналогичного превращения приводит к увеличению электропродимости образца. При этом значения энергии активации РУ1ш и РУ1ш-Б1-ЫН2 составляют 0,17 и 0,92 эВ соответственно. Выявлено, что по характеру проводимости синтезированное производное поливинилимидазола относится к полупроводниковым материалам, который подтверждается дополнительным увеличением электропроводимости при облучении УФ-лучами. Установлено, что время от начала фотопроводимости до насыщения РУ1т и РУ1ш-Б1-ЫН2 соответственно составляет 18 и 7 минут. Результаты исследования позволяют полагать, что полупроводниковый характер полученного полимера позволяет иметь широкий спектр его применения.
Список литературы:
1. Khaligh, N.G., Poly (N-vinyl imidazole) as a halogen-free and efficient catalyst for N-Boc protection of amines under solvent-free conditions // RSC advances, 2012, Vol. 2(32), p. 12364-12370.
2. Timea S., et al. Nanoconfined crosslinked poly(Ionic liquid)s with unprecedented selective swelling properties obtained by alkylation in nanophase-separated poly(1-vinylimidazole)-l-poly(tetrahydrofuran) networks// Polymers, 2020, Vol. 12, No. 10, p. 1 - 20.
3. Jessica C. Audifred-Aguilar, Victor H. Pino-Ramos, Emilio Bucio. Synthesis and characterization of hydrophilically modified Tecoflex® polyurethane catheters for drug delivery // Materials Today Communications, 2021, Vol. 26, p. 101894.
4. Katsuhiko S., et. al. Electrochemical Quantitative Evaluation of the Surface Charge of a Poly(l-Vinylimidazole) Multilayer Film and Application to Nanopore pH Sensor // Electroanalysis, 2021, vol. 33; No. 6, p. 1633 - 1638.
5. Pan H., et al. Nitrogen-doped porous carbon with interconnected tubular structure for supercapacitors operating at sub-ambient temperatures // Chemical Engineering Journal, 2020, Vol. 401, p. 126083.
6. Alexandrina N., Rodica T. Poly(1-vinylimidazole) grafted on magnetic nanoparticles - attainment of novel nanostructures // Revue Roumaine de Chimie, 2020, vol. 65; No. 6, p. 611 - 616.
7. Отаджонов С.Р., Саидова Ш.З., Каттаев Н.Т., Акбаров Х.И. Исследование сорбции паров воды и бензола производными поливинилимидазола // Universum: химия и биология. - 2023. - №9 (111). - С. 41-48. DOI - 10.32743/UniChem.2023.111.9.15859.
8. Мамадалимов А.Т., Хакимова Н.К., Норбеков Ш.М. Изучение электрических и фотоэлектрических свойств бамбуковых волокон // ДАН РУз. -2022. - № 1. - С. 26-29.
