一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，属于化学及新材料技术领域。本发明专利技术采用单体2,4,6

【技术实现步骤摘要】
一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法和应用


[0001]本专利技术属于化学及新材料
，具体涉及一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超级电容器是一种新型的绿色环保储能装置，能快速储能和释放能量，可以满足灵活、高效、环境污染小、能量转换效率高的要求，已成为各国能源发展的研究热点。电极材料是整个超级电容器系统的核心，其电化学性能是决定超级电容器性能的关键因素之一。在众多电极材料中，多孔碳材料具有导电率高、纳米孔结构可调、表面官能团可控等优点，在超级电容器的发展中发挥着重要作用。尽管通过设计多孔碳材料的合理孔结构和高比表面积可以在一定程度上提高比电容，但双层电容器的储能机制本质上限制了能量密度的增加。例如具有创纪录高表面积的纯碳多孔芳香骨架材料PAF
‑
1进行活化，得到具有2926m
2 g
‑1高表面积的多孔碳材料，结果其电化学测试在1Ag
‑1的电流密度下仅仅只有280F g
‑1的比电容。因此，提高电极材料的电容和能量密度仍然是当前碳基超级电容器面临的首要任务。近年来，一种有效的方法是在碳材料表面引入氮、氧、硼等杂原子，一方面可以调节孔壁的浸润性来改善离子的传输。另一方面，通过含氮、氧等官能团的氧化还原活性从而增加材料的赝电容，比如：三嗪、胺基、羰基、苯醌等官能团具有较高的理论容量、优异的电化学可逆性和氧化还原活性。尽管杂原子掺杂碳材料可以改善电化学性能，但是由于活性位点的电化学可逆性以及受氧化还原动力学的影响，并没有使活性位点有效发挥作用。因此合理的引入活性位点是提高多孔碳材料电化学性能的关键。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提供一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法和应用。
[0004]本专利技术采用的技术方案是：
[0005]一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，包括如下步骤：
[0006]1)在氮气条件下，将2,4,6
‑
三(4
‑
乙炔基苯基)
‑
1,3,5
‑
三嗪、二溴氰尿酸、四(三苯基磷)钯和碘化亚铜加入到双口圆底烧瓶中，再将无水N,N'
‑
二甲基甲酰胺和无水三乙胺注入反应体系中，将反应体系加热反应；
[0007]2)待反应体系降至室温后，过滤，得到的粗产物分别用过量氯仿、水和丙酮洗涤，然后分别用四氢呋喃、乙醇和氯仿索氏提取24小时，将提取物在90℃下真空干燥10小时，获得黄棕色样品，即为氮氧功能化多孔芳香骨架材料LNU
‑
54。
[0008]进一步的，上述的一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，步骤1)中，2,4,6
‑
三(4
‑
乙炔基苯基)
‑
1,3,5
‑
三嗪和二溴氰尿酸的摩尔比为2:3。
[0009]进一步的，上述的一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，步骤1)中，四(三苯基磷)钯和碘化亚铜的质量比为3:1。
[0010]进一步的，上述的一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，步骤1)中，无水N,N'
‑
二甲基甲酰胺和无水三乙胺的体积比为5:4。
[0011]进一步的，上述的一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，步骤1)中，所述的加热反应的条件为80℃反应3天。
[0012]多孔碳材料LNU
‑
54s的制备方法，包括如下步骤：
[0013]1)将KOH溶于乙醇与水的混合溶液中，再加入LNU
‑
54，搅拌过夜，过滤得到KOH@LNU
‑
54；
[0014]2)在高纯氮气氛围中，将步骤1)得到的KOH@LNU
‑
54置于在管式炉内，以3℃min
‑1升温速率分别升温至800℃～1000℃，并保持120分钟，降至室温，然后分别用1M HCl、乙醇和丙酮进行洗涤，干燥后得到多孔碳材料LNU
‑
54s。
[0015]进一步的，上述的多孔碳材料LNU
‑
54s的制备方法，步骤1)中，所述的KOH在乙醇与水的混合溶液中的浓度为3mg/1mL；所述的乙醇与水的混合溶液，乙醇与水的质量比为95:5。
[0016]进一步的，上述的多孔碳材料LNU
‑
54s的制备方法，步骤1)中，所述的LNU
‑
54和KOH的质量比为1:3。
[0017]按照上述的制备方法制备的多孔碳材料LNU
‑
54s在超级电容器中的应用。
[0018]进一步的，上述的应用，方法包括如下步骤：
[0019]1)称取5mg多孔碳材料LNU
‑
54s置于2mL容器内，然后加入50μL 0.05wt％Nafion溶液、0.2mL无水乙醇和0.75mL水，超声30分钟使其均匀分散，得到电极液；用移液器取5μL电极液转移到镜面抛光的玻碳电极上，在50℃的烘箱中干燥4小时，得到负载电极材料的玻碳电极；
[0020]2)测试采用三电极体系，其中负载电极材料的玻碳电极作为工作电极，铂箔为对电极，标准Ag/AgCl电极为参比电极，电解液为1M H2SO4水溶液。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]1、本专利技术提供的一种具有合理氧化还原活性位点分布的氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，提出了一种氧化还原官能团协同效应策略，用于提高活性位点的氧化还原动力学和电化学可逆性，利用高电负性的氮官能团可以增强邻近含氧官能团的氧化还原过程，同时也引入其自身氧化还原反应活性并增强多孔碳材料的表面浸润性。通过Sonogashira
‑
Hagihara交叉偶联反应，将富氮氧杂原子的二溴氰酸和富含三嗪环的有机单体作为构筑单元合成一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料。另一方面，将富含三嗪的结构单元引入骨架内，氮原子在三个间位上具有π电子共轭特性可以增强其导电性，同时骨架内丰富的吡啶基团可以产生大量的活性位点，这有利于材料获得更高的比电容。
[0023]2、本专利技术采用KOH溶液浸渍的方式将氮氧功能化多孔芳香骨架材料进行活化，制备得到具有高比表面积和合理分级孔结构的多孔碳，保证了快速的离子/电子传输动力学，有利于材料获得更高的比电容。LNU
‑
54
‑
900在1Ag
‑1下的比电容为927.5F g
‑1，为目前所报道多孔芳香骨架材料在超级电容器领域中比电容的最高数值。同时，LNU
‑
54
‑
900在10Ag
‑1的电流密度下进行恒流充放电10000次，比电容是初始电容大小的120％，展现出优异的循环稳定性，在超级电容器领域具有良好的应用前景。
[0024]3、本专利技术提出的制备方法采用廉价单体，反应条件温和，操作简单，对环境友本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮氧功能化多孔芳香骨架材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在氮气条件下，将2,4,6
‑
三(4
‑
乙炔基苯基)
‑
1,3,5
‑
三嗪、二溴氰尿酸、四(三苯基磷)钯和碘化亚铜加入到双口圆底烧瓶中，再将无水N,N'
‑
二甲基甲酰胺和无水三乙胺注入反应体系中，将反应体系加热反应；2)待反应体系降至室温后，过滤，得到的粗产物分别用过量氯仿、水和丙酮洗涤，然后分别用四氢呋喃、乙醇和氯仿索氏提取24小时，将提取物在90℃下真空干燥10小时，获得黄棕色样品，即为氮氧功能化多孔芳香骨架材料LNU
‑
54。2.多孔碳材料LNU
‑
54s的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将KOH溶于乙醇与水的混合溶液中，再加入权利要求1制得的LNU
‑
54，搅拌过夜，过滤得到KOH@LNU
‑
54；2)在高纯氮气氛围中，将步骤1)得到的KOH@LNU
‑
54置于在管式炉内，以3℃min
‑1升温速率分别升温至800℃～1000℃，并保持120分钟，降至室温，然后分别用1M HCl、乙醇和丙酮进行洗涤，干燥后得到多孔碳材料LNU
‑
54s。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，2,4,6
‑
三(4
‑
乙炔基苯基)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫卓君，崔博，夏立新，布乃顺，付钰，陆佳伟，姚婉婷，梁丽娟，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：