vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8331-2025-61-3-183-195vestich-964Research ArticleФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯPHYSICAL CHEMISTRYКвантово-химическое моделирование, синтез и свойства электропроводящих материалов на основе полианилинаQuantum-chemical modeling, synthesis and properties of electrically conductive materials based on polyanilineИгнатовичЖ. В.IhnatovichZh. V.

Игнатович Жанна Владимировна – кандидат химических наук, заместитель директора

ул. Ф. Скорины, 36, 220084, Минск

Ihnatovich Zhanna V. – Ph. D. (Chemistry), Deputy Director

36 F. Skorinа Str., 220084, Minsk

ignatovich@ichnm.byФилипповичЛ. Н.FilippovichL. N.

Филиппович Людмила Николаевна – кандидат химических наук, старший научный сотрудник, доцент. Институт физико-органической химии НАН Беларуси

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Filippovich Lyudmila N. – Ph. D. (Chemistry), Senior Researcher, Associate Professor. Institute of Physical-Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus

13, Surganov Str., 220072, Minsk

luda1977@list.ruДаниловаД. А.DanilovaD. A.

Данилова Дарья Александровна – младший научный сотрудник.

ул. Филимонова, 25, 220114, Минск

Danilova Darya A. – Junior Researcher

25, Filimonov Str., 220114, Minsk

danilovad11@gmail.comЛемешонокС. Н.LemeshonokS. N.

Лемешонок Светлана Николаевна – научный сотрудник

ул. Ф. Скорины, 36, 220084, Минск

Lemeshonok Svetlana N. – Researcher

36, F. Skorina Str., 220084, Minsk

ichnm-lpp@mail.ruПеткевичА. В.РetkevichA. V.

Петкевич Анна Васильевна – научный сотрудник

ул. Ф. Скорины, 36, 220084, Минск

Petkevich Anna V. – Researcher

36, F. Skorina Str., 220084, Minsk

m_a_w1987@mail.ruШахабС. Н.ShahabS. N.

Шахаб Сиямак Насер – доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой. Международный государственный экологический институт имени А. Д. Сахарова БГУ

ул. Долгобродская, 23/1, 220070, Минск

Shahab Siyamak N. – Dr. Sc. (Chemistry), Professor, Head of Department. Sakharov International State Ecological Institute BSU

23/1, Dolgobrodskaya Str., 220070, Minsk

siyamakshahab@mail.ruРогачевА. А.RogachevA. A.

Рогачев Александр Александрович – член-корреспондент, доктор технических наук, профессор, директор

ул. Ф. Скорины, 36, 220084, Минск

Rogachev Alexander A. – Corresponding Member, Dr. Sc. (Engineering), Professor, Director

36, F. Skorina Str., 220084 Minsk

rogachev78@mail.ruИнститут химии новых материалов Национальной академии наук БеларусиInstitute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси; Институт физико-органической химии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of Belarus; Institute of Physical-Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of BelarusНаучно-практический центр Государственного комитета судебных экспертиз Республики БеларусьScientific and Practical Center of the State Committee for Forensic Examinations of the Republic of BelarusИнститут химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси; Институт физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси; Международный государственный экологический институт имени А. Д. Сахарова Белорусского государственного университетаInstitute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of Belarus; Institute of Physical-Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus; International Sakharov Environmental Institute of Belarusian State University202529082025613183195Copyright © Игнатович Ж.В., Филиппович Л.Н., Данилова Д.А., Лемешонок С.Н., Петкевич А.В., Шахаб С.Н., Рогачев А.А., 20252025Игнатович Ж.В., Филиппович Л.Н., Данилова Д.А., Лемешонок С.Н., Петкевич А.В., Шахаб С.Н., Рогачев А.А.Ihnatovich Z.V., Filippovich L.N., Danilova D.A., Lemeshonok S.N., Рetkevich A.V., Shahab S.N., Rogachev A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/964

Проведено квантово-химическое моделирование молекулы проводящего полимера полианилина (ПАНИ), разработаны и оптимизированы методы синтеза ПАНИ по реакции окислительной полимеризации с последующим комплексным исследованием морфологии, физико-химических свойств. Сформированы полимерно-композиционные материалы, состоящие из ПАНИ и углеродных материалов в матрице полилактида (PLA), которые по данным циклических вольт-амперных характеристик (ВАХ) и импедансной спектроскопии обладают проводимостью от 0,10 до 25 См/см, что делает их перспективными для применения в различных сенсорных устройствах в микрои наноэлектронике, биомедицине, а также создания антикоррозионных и антистатических покрытий.

Quantum-chemical modeling of the polyaniline (PANI) molecule was performed. Methods for synthesizing PANI via oxidative polymerization were developed, and the morphology and physicochemical properties were comprehensively studied and optimized. Polymer-composite materials consisting of PANI and carbon-based materials within a PLA matrix were formed. According to cyclic voltammetry and impedance spectroscopy, these composites exhibit conductivities ranging from 0.10 to 25 S/cm, making them promising for use in various sensor devices in microand nanoelectronics, biomedicine, as well as in the development of anti-corrosion and antistatic coatings.

квантово-химическое моделированиеэлектропроводящие материалыполианилинтехнический углеродполилактидquantum chemical modelingconductive materialspolyanilinecarbon blackpolylactideРабота выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект Т23УЗБ-059) и Государственной программы научных исследований «Материаловедение, новые материалы и технологии» (задание 8.4.2.2).The work was carried out with financial support from the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (prodject Т23УЗБ-059) and State Program of Scientific Research “Materials Science, New Materials and Technologies” (task 8.4.2.2).ReferencesConjugated Polymers. Processing and Applications / ed. by T. A. Skotheim, J. R. Reynolds. – 3rd ed. – Boca Raton: CRC Press, 2007. – 656 p. https://doi.org/10.1201/b10739Skotheim T. A., Reynolds J. R. (eds.). Conjugated Polymers. Processing and Applications. 3rd ed. Boca Raton, CRC Press, 2007. 656 p. https://doi.org/10.1201/b10739Preparations, properties, and applications of polyaniline and polyaniline thin films–a review / M. Beygisangchin, S. Abdul Rashid, S. Shafie [et al.] // Polymers. – 2021. – Vol. 13, № 12. – P. 2003. https://doi.org/10.3390/polym13122003Beygisangchin M., Abdul Rashid S., Shafie S., Sadrolhosseini A. R., Lim H. N. Preparations, properties, and applications of polyaniline and polyaniline thin films–a review. Polymers, 2021, vol. 13, iss. 12, pp. 2003. https://doi.org/10.3390/polym13122003Fabrication of polypyrrole gas sensor for detection of NH3 using an oxidizing agent and pyrrole combinations: Studies and characterizations / A. Jain, A. N. Nabeel, S. Bhagwat [et al.] // Heliyon. – 2023. – Vol. 9, № 7. – P. 17611. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e17611/Jain A., Nabeel A. N., Bhagwat S., Kumar R., Sharma S., Kozak D., Hunjet A., Kumar A., Singh R. Fabrication of polypyrrole gas sensor for detection of NH3 using an oxidizing agent and pyrrole combinations: Studies and characterizations. Heliyon, 2023, vol. 9, no. 7, pp. 17611. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e17611Recent advances in bioactive 1D and 2D carbon nanomaterials for biomedical applications / O. Erol, I. Uyan, M. Hatip [et al.] // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. – 2018. – Vol. 14, № 7. – P. 2433–2454. https://doi.org/10.1016/j.nano.2017.03.021/Erol O., Uyan I., Hatip M., Yilmaz C., Tekinay A. B., Guler M. O. Recent advances in bioactive 1D and 2D carbon nanomaterials for biomedical applications. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2018, vol. 14, iss. 7, pp. 2433–2454. https://doi.org/10.1016/j.nano.2017.03.021Sinha, N. Carbon nanotube-based sensors / N. Sinha, J. Ma, J. T. W. Yeow // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2006. – Vol. 6, № 3. – P. 573–590. https://doi.org/10.1166/jnn.2006.121Sinha N., Ma J., Yeow J. T. W. Carbon nanotube-based sensors. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2006, vol. 6, iss. 3, pp. 573–590. https://doi.org/10.1166/jnn.2006.121Synthesis of a new polyaniline/nanotube composite: “in-situ” polymerisation and charge transfer through site-selective interaction / M. Cochet, W. K. Maser, A. M. Benito [et al.] // Chemical Communications. – 2001. – № 16. – P. 1450–1451. https://doi.org/10.1039/B104009JCochet M., Maser W. K., Benito A. M., Callejas M. A., Martínez M. T., Benoit J.-M., Schreiber J., Chauvet O. Synthesis of a new polyaniline/nanotube composite: “in-situ” polymerisation and charge transfer through site-selective interaction. Chemical Communications, 2001, vol. 16, pp. 1450–1451. https://doi.org/10.1039/B104009JРасчет УФ-, ИКи ЯМР-спектров молекулы диэтил 2,2’-([1,1’-бифенил]-4,4’-диилбис(азанедиил)диацетата / Х. А. Алмодарресие, С. Н. Шахаб, В. М. Зеленковский [и др.] // Журнал прикладной спектроскопии. – 2014. – T. 81, № 1. – С. 42–49.Almodarresiyeh H. A., Shahab S. N., Zelenkovsky V. M., Ariko N. G., Filippovich L. N., Agabekov V. E. Calculation of UV, IR, and NMR Spectra of Diethyl 2,2′-[(1,1′-Biphenyl)-4,4′-Diylbis(Azanediyl)]Diacetate. Journal of Applied Spectroscopy, 2014, vol. 81, no. 1, pp. 31–36. https://doi.org/10.1007/s10812-014-9882-0Электронная структура и абсорбционный спектр натрий 2-гидрокси-5-((2-метокси-4((4-сульфофенил)диазенил)фенил)диазенил)бензоата / Х. А. Алмодарресие, С. Н. Шахаб, В. М. Зеленковский // Журнал прикладной спектроскопии. – 2014. – T. 81, № 1. – С. 145–147.Almodarresiyeh H. A., Shahab S. N., Zelenkovsky V. M., Agabekov V. E. Electronic Structure and Absorption Spectra of Sodium 2-Hydroxy-5-({2-Methoxy-4[(4-Sulfophenyl)Diazenyl]Phenyl}Diazenyl)Benzoate. Journal of Applied Spectroscopy, 2014, vol. 81, no. 1, pp. 161–163. https://doi.org/10.1007/s10812-014-9903-zQuantum Chemical Modeling of New Derivatives of (E,E)-Azomethines: Synthesis, Spectroscopic (FT-IR, UV/Vis, Polarization) and Thermophysical Investigations / S. Shahab, M. Sheikhi, L. Filippovich [et al.] // Journal of Molecular Structure. – 2017. – Vol. 1137. – P. 335–348. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.02.056Shahab S., Sheikhi M., Filippovich L., Dikusar E. A., Yahyaei H. Quantum Chemical Modeling of New Derivatives of (E,E)-Azomethines: Synthesis, Spectroscopic (FT-IR, UV/Vis, Polarization) and Thermophysical Investigations. Journal of Molecular Structure, 2017, vol. 1137, pp. 335–348. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.02.056Molecular structure and UV–Vis spectral analysis of new synthesized azo dyes for application in polarizing films / S. Shahab, F. H. Hajikolaee, L. Filippovich [et al.] // Dyes and Pigments. – 2016. – Vol. 129. – P. 9–17. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2016.02.003Shahab S., Hajikolaee F. H., Filippovich L., Darroudi M., Loiko V. A., Kumar R., Borzehandani M. Y. Molecular structure and UV–Vis spectral analysis of new synthesized azo dyes for application in polarizing films. Dyes and Pigments, 2016, vol. 129, pp. 9–17. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2016.02.003New derivatives of (E,E)-azomethines: Design, quantum chemical modeling, spectroscopic (FT-IR, UV/Vis, polarization) studies, synthesis and their applications: Experimental and theoretical investigations / M. Sheikhi, S. Shahab, L. Filippovich [et al.] // Journal of Molecular Structure. – 2017. – Vol. 1152. – P. 368–385. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.09.108/Sheikhi M., Shahab S., Filippovich L., Yahyaei H., Dikusar E., Khaleghian M. New derivatives of (E,E)-azomethines: Design, quantum chemical modeling, spectroscopic (FT-IR, UV/Vis, polarization) studies, synthesis and their applications: Experimental and theoretical investigations. Journal of Molecular Structure, 2017, vol. 1152, pp. 368–385. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.09.108Wan, M. Absorption spectra of thin film of polyaniline / M. Wan // Journal of polymer science: Part A. Polymer Chemistry. – 1992. – Vol. 30. – P. 543–549. https://doi.org/10.1002/pola.1992.080300404Wan M. Absorption spectra of thin film of polyaniline. Journal of polymer science: Part A. Polymer Chemistry, 1992, vol. 30, pp. 543–549. https://doi.org/10.1002/pola.1992.080300404Charge Transport through Polyaniline Incorporated Electrically Conducting Functional Paper / K. L. Bhowmik, K. Deb, A. Bera [et al.] // Journal of Physical Chemistry C. – 2016. – Vol. 120, № 11. – P. 5855–5860. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b08650Bhowmik K. L., Deb K., Bera A., Nath R. K., Saha B. Charge Transport through Polyaniline Incorporated Electrically Conducting Functional Paper. The Journal of Physical Chemistry C, 2016, vol. 120, no. 11, pp. 5855–5860. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b08650Sagar, R. Nanoarchitecture of PANI/CNT/GO hybrid nanocomposites with enhanced dielectric and gas sensing properties / R. Sagar, M. S. Gaur, A. A. Rogachev // Polymer Bulletin. – 2023. – Vol. 80. – P. 1773–1793. https://doi.org/10.1007/s00289-022-04127-z.Sagar R., Gaur M. S., Rogachev A. A. Nanoarchitecture of PANI/CNT/GO hybrid nanocomposites with enhanced dielectric and gas sensing properties. Polymer Bulletin, 2023, vol. 80, pp. 1773–1793. https://doi.org/10.1007/s00289-022-04127-z.Композиты на основе полианилина, сополимеров полианилина с о-анизидином и анилин-2-сульфокислотой, допированные наночастицами оксида никеля / Х. А. Новик, Л. Н. Филиппович, Ж. В. Игнатович [и др.] // Полимерные композиты и трибология (Поликомтриб-2022): сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., 28–30 июня 2022 г. – Гомель: ИММС НАН Беларуси, 2022. – С. 151.Novik K. A. Composites based on polyaniline, copolymers of polyaniline with o-anisidine and aniline-2-sulfonic acid, doped with nickel oxide nanoparticles. Polimernye kompozity i tribologiya (Polikomtrib-2022): sb. dokladov Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf., 28-30 iyunya 2022 g. [Polymer composites and tribology (Polycomtrib-2022): Abstracts of the International scientific and technical conference]. Gomel, V. A. Belyi Metal-Polymer Research Institute of National Academy of Sciences of Belarus, 2022, pp. 151 (in Russian).Корреляция между ИК-спектрами и электропроводностью композиционных материалов полиэтилен-полипиррол / О. А. Андреева, Л. А. Буркова, М. А. Смирнов, Г. К. Ельяшевич // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. – 2006. – Т. 48, № 12. – С. 2195–2199.Andreeva O. A., Burkova L. A., Smirnov M. A., El’yashevich G. K. Correlation between IR spectra and electrical conductivity of polyethylene-polypyrrole composites. Polymer Science. Series B. Chemistry, 2006, vol. 48, no. 6, pp. 331–334 (in Russian). https://doi.org/10.1134/s1560090406110066Polyaniline/Vanadium oxide composites: An effective control in morphology by varying reactant concentrations / S. Goswami, U. N. Maiti, S. Maiti [ et al.] // Materials Chemistry and Physics. – 2013. – Vol. 138, iss. 1. – P. 319–326. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2012.11.063Goswami S., Maiti U. N., Maiti S., Mitra M. K., Chattopadhyay K. K. Polyaniline/Vanadium oxide composites: An effective control in morphology by varying reactant concentrations. Materials Chemistry and Physics, 2013, vol. 138, iss. 1, pp. 319–326. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2012.11.063Polyaniline/V2O5 composites for anticorrosion and electromagnetic interference shielding / N. Maruthi, M. Faisal, N. Raghavendra [et al.] // Materials Chemistry and Physics. – 2021. – Vol. 259, iss. 1. – P. 124059. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.124059Maruthi N., Faisal M., Raghavendra N., Prasanna B. P., Nandan K. R., Yogesh Kumar K., Prasad S. B. B. Polyaniline/ V2O5 composites for anticorrosion and electromagnetic interference shielding. Materials Chemistry and Physics, 2021, vol. 259, iss. 1, pp. 124059. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.124059Electrodeposition and pseudocapacitive properties of tungsten oxide/polyaniline сomposite / B.-X. Zou, Y. Liang, X.-X. Liu, D. Diamond [et al.] // Journal of Power Sources. – 2011. – Vol. 196, iss. 10. – P. 4842–4848. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.01.073Zou B.-X., Liang Y., Liu X.-X., Diamond D., Lau K.-T. Electrodeposition and pseudocapacitive properties of tungsten oxide/polyaniline сomposite. Journal of Power Sources, 2011, vol. 196, iss. 10, pp. 4842–4848. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.01.073Molecular structure, optical, electrical and sensing properties of PANI-based coatings with silver nanoparticles deposited from the active gas phase / A.A. Ragachev, M. A. Yarmolenko, J. Xiaohong [et al.] // Applied Surface Science. – 2015. – Vol. 351. – P. 811–818. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.06.008Ragachev A. A., Yarmolenko M. A., Xiaohong J., Shen R., Luchnikov P. A., Rogachev A. V. Molecular structure, optical, electrical and sensing properties of PANI-based coatings with silver nanoparticles deposited from the active gas phase. Applied Surface Science, 2015, vol. 351, pp. 811–818. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.06.008Soluble self-aligned carbon nanotube/polyaniline composites / R. Sainz, A. M. Benito, M. T. Martínez [et al.] // Advanced Materials. – 2005. – Vol. 17, № 3. – P. 278–281. https://doi.org/10.1002/adma.200400921Sainz R., Benito A. M., Martínez M. T., Galindo J. F., Sotres J., Baró A. M., Corraze B., Chauvet O., Maser W. K. Soluble self-aligned carbon nanotube/polyaniline composites. Advanced Materials, 2005, vol. 17, iss. 3, pp. 278–281. https:// doi.org/10.1002/adma.200400921

The authors declare that there are no conflicts of interest present.