用于析氧反应的磺化聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及析氧反应电催化剂制备研究领域，提供了用于析氧反应的磺化聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法。以聚合物磺化聚苯并咪唑为载体，通过浸渍

【技术实现步骤摘要】
用于析氧反应的磺化聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及用于析氧反应的电催化剂及其制备方法，特别是磺化聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]清洁、高能量密度的氢能是如今绿色能源发展的重要方向，而环保的电解水系统则是重要的制氢技术。析氧反应（OER）是电解水的半反应之一，也是电解水的速率控制步骤。在OER过程中，随着O
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O键的生成，电子的转移会减慢水解的整个动力学过程。因此，研究更高效、更先进的电催化剂对促进水电解的发展有着深远的影响。目前，RuO2和IrO2等贵金属的电催化剂因其优异的OER性能而被广泛报道，但其高昂的成本限制了其广泛的商业化。因此，低成本的过渡金属便成为了近些年来的研究重点，含有各种过渡金属的配合物也为制备OER电催化剂提供了方向。
[0003]磺化聚苯并咪唑（sPBI）是一类具有高热稳定性、抗氧化性和良好力学性能的高性能聚合物，其通常被用来制作质子交换膜。此外，该聚合物具有的
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SO3H可以使得sPBI具有良好的电导率；同时sPBI所具有的N物种可以产生孤电子对。这使得sPBI可以作为一种电催化剂基体材料，但是其需要锚定合适的金属配体才能发挥出优异的电催化特性。
[0004]针对以上问题，提出低成本高性能的OER电催化剂及其制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供磺化聚苯并咪唑基OER电催化剂及其制备方法。首先是通过直接缩聚法合成sPBI，其重复单元结构如下所示：其中，可以通过将sPBI分别浸泡在HCl溶液、Li2CO3溶液、Na2CO3溶液、K2CO3溶液和Mg2CO3溶液中使X1分别为氢、锂、钠、钾或镁等离子。
[0006]X2结构由对应的芳香二元羧酸所产生，根据所选择的芳香二元羧酸单体的不同，其中sPBI结构中包含一种及以上X2结构，下图列举了不同的X2结构和其对应的芳香二元羧酸单体，本专利技术以含有柔性醚键的结构单元的磺化聚苯并咪唑作为说明，即选择的芳香二元羧酸单体为4, 4
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二羧基二苯醚。
[0007]其次将sPBI和乙酸钴粉末通过水浸渍法和热退火处理获得具有纳米颗粒形态的OER电催化剂。
[0008]本专利技术提供的OER电催化剂的制备方法，包括如下制备步骤：（1）sPBI的制备：采用直接缩聚法，将3, 3'
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二氨基联苯胺（DAB）、4, 4
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二羧基二苯醚（PE）和3, 3'
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二磺酸钠
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4, 4'
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二羧基联苯 (SCBP)进行聚合后，抽滤、盐浸、水洗，最后真空干燥即得sPBI。
[0009]（2）前驱体（Co/sPBI Pre）的制备：将（1）中所得sPBI研磨成粉末后加入到超声处理过的Co(OAc)2溶液中，水热蒸发，真空干燥后即得Co/sPBI Pre。
[0010]（3）纳米颗粒催化剂（Co/sPBI NPs）的制备：将（2）中所得Co/sPBI Pre在N2氛围下通过管式炉进行退火处理即得Co/sPBI NPs。
[0011]优选地，步骤（1）中，SCBP物质的量浓度为60%；盐浸使用的溶液为5 wt %的Na2CO3溶液，浸泡时间为24 h；真空干燥温度为100 ℃，干燥时间为36 h。
[0012]优选地，步骤（2）中，Co元素占sPBI的质量百分比分别为0.2、0.4、0.6。
[0013]优选地，步骤（2）中，超声处理的功率值为1500 W，90%能量输出值下超声15 min；水热蒸发温度为60 ℃；真空干燥温度为80 ℃，干燥时间为24 h。
[0014]优选地，步骤（3）中，退火温度分别为800 ℃、850 ℃和900 ℃，退火时间为3 h，升温速率为6 ℃/min。
[0015]本专利技术提供的OER电催化剂的制备方法与现有技术相比具有以下进步：（1）本专利技术所提供的OER电催化剂的制备过程，原材料成本低廉，无毒无害，易于得到；反应温度平稳，反应温和，易于控制。
[0016]（2）本专利技术提供的方法生产了纳米颗粒形态的OER电催化剂，此种纳米颗粒中存在的微晶石墨结构优化了OER导电性。
[0017]本专利技术所提出的OER电催化剂的制备方法，在退火处理后会生成吡咯
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N金属配位点，通过Co与sPBI的强相互作用，可以形成Co
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N配位键，这可以提高纳米颗粒的结构稳定性；此外，退火过程也产生吡啶
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N物种，可以加速O2的释放，降低OER过电位；最后，退火处理后会产生晶体缺陷，晶体缺陷的存在可以暴露更多的活性位点，加速电子转移，提高中间体的吸附能力，从而使电催化剂具有相当大的OER活性。
附图说明
[0018]本专利技术合成的sPBI的化学结构通过1H NMR得到了证实；sPBI和Co/sPBI Pre的晶体结构通过XRD得到了分析；Co/sPBI NPs的形貌通过SEM得到了表征。
[0019]图1为实施例一中所制得的sPBI的1H NMR谱图；图2为实施例一和二中所制得的sPBI和Co/sPBI Pre的XRD谱图；图3为实施例三中所制得的Co/sPBI NPs的SEM图。
具体实施方式
[0020]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
0.2 Co/sPBI Pre置入管式炉中，检查气密性后，以6 ℃/min的升温速率程序升温至850 ℃后焙烧3 h。制得纳米颗粒催化剂，并命名为0.2 Co/sPBI NPs
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850 ℃。
[0028]2）纳米颗粒催化剂（0.4 Co/sPBI NPs
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850 ℃）的制备：在N2氛围中，将150 mg 0.4 Co/sPBI Pre置入管式炉中，检查气密性后，以6 ℃/min的升温速率程序升温至850 ℃后焙烧3 h。制得纳米颗粒催化剂，并命名为0.4 Co/sPBI NPs
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850 ℃。
[0029]3）纳米颗粒催化剂（0.6 Co/sPBI NPs
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850 ℃）的制备：在N2氛围中，将150 mg 0.6 Co/sPBI Pre置入管式炉中，检查气密性后， 以6 ℃/min的升温速率程序升温至850 ℃后焙烧3 h。制得纳米颗粒催化剂，并命名为0.6 Co/sPBI NPs
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850 ℃。
[0030]本专利技术还以900 ℃的退火温度制备了0.2 Co/sPBI NPs
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900 ℃、0.4 Co/sPBI NPs
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900 ℃、0.6 Co/sPBI NPs
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900 ℃，具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于析氧反应的磺化聚苯并咪唑基电催化剂，其特征在于：以含有重复结构单元的磺化聚苯并咪唑为基体，以过渡金属为配体，通过苯环有效的π
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π堆积和强大的氢键作用将过渡金属离子锚定在聚合物基体表面；X1为氢、锂、钠、钾或镁等离子；X2的结构如下：磺化聚苯并咪唑的重复结构单元中包含一种及以上X2结构。2.一种用于析氧反应的磺化聚苯并咪唑基电催化剂的制备方法，其特征在于采用了直接缩聚法和浸渍
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退火处理，具体步骤如下：（1）磺化聚苯并咪唑（sPBI）的制备，将3, 3'
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二氨基联苯胺（DAB）、2, 4
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二羧基二苯醚（PE）和3, 3'
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二磺酸钠
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4, 4'
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二羧基联苯 (SCBP)进行聚合后，抽滤、盐浸、水洗，最后真空干燥即得sPBI；（2）前驱体（Co/sPBI Pre）的制备，将sPBI研磨成粉末后加入到超声处理过的Co(OAc...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，杨帅，卢明霞，白红娟，王飞飞，陈孝东，华冰艳，陈军航，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：