吡嗪二维有机多孔材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于吡嗪的二维有机多孔材料及其制备方法与应用。所述基于吡嗪的二维有机多孔材料具有下式中任一者所示的结构：

【技术实现步骤摘要】
吡嗪二维有机多孔材料及其制备方法与应用
本专利技术属于有机功能材料领域，具体涉及一种基于吡嗪的二维有机多孔材料及其制备方法与应用。
技术介绍
在科技日新月异的当今世界，人们对于能源需求的不断增加，导致化石能源大量开采和使用，并由此带来了温室效应、大气污染和土地污染等环境问题。化石能源的不可再生性和人类对它的巨大消耗使人类正面临着化石能源逐渐走向枯竭的严峻现实，因而开发清洁能源迫在眉睫，但是可再生能源(例如风、浪、太阳能)间歇性特征表明它们不能有效利用。这些问题迫切需要人们寻求高效的能量转换装置和可靠的能量存储系统。电化学储能具有无污染、用途广泛、寿命长、维护成本低的优点。运用电化学储能技术提高储能工具的性能达到环境友好的目的将会是研究人员追求的长久的目标。锂离子电池(LIB)具有高比能、高比功率和快速响应等优点，是目前最好的电化学储能技术。用于锂离子电池电极的材料传统上是基于过渡金属的无机材料例如钴、铁、锡或锰等，这些日益稀缺的矿产资源的大量使用不满足可持续发展的要求，并且无机配合物在提取和合成过程中会产生有毒物质和大量金属废弃物，需要消耗大量能量。而有机材料作为电池和电容器电极时具有比无机材料环保、廉价、安全、易合成、结构可调控等优点，有机材料作为电化学储能的电极研究逐渐引起科学家的研究兴趣。已知小分子作为电极材料在电解液中的溶解会导致的锂离子电池容量的快速衰减，利用有机多孔材料高稳定的特点，将具有氧化还原活性的小分子单元引入到中能够有效的抑制容量衰减。另外，有机多孔材料具有固有的孔结构且比表面积高，有利于提高氧化还原位点的利用率和提高电荷转移动力学。迄今为止，研究者们已探索出许多具有不同氧化还原活性基团的有机多孔聚合物。但是，目前大多数直接用于电极材料的有机聚合物导电率低，在实际应用中表现出较差的循环稳定性、相当低的活性位点利用率和缓慢的氧化还原动力学。因此开发新型高比容量，高稳定性的有机多孔材料具有重要意义并极具挑战。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于吡嗪的二维有机多孔材料及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种基于吡嗪的二维有机多孔材料，所述基于吡嗪的二维有机多孔材料如式(I)或式(II)所示的结构：其中，R选自NO2和H中的任一者。本专利技术实施例还提供了一种基于吡嗪的二维有机多孔材料的制备方法，其包括：在无溶剂条件下，将所述芘酮类物质、芳基胺类物质和氯化锌置于7mL的安瓿瓶中，使混合体系置于压力为-100～-110Kpa的条件下烧结，并置于马弗炉中以2～5℃/min的升温速率加热至350～450℃反应40～50h，然后自然降温，将固体取出并研磨，依次用1mol/L的盐酸水溶液、纯水、甲醇、四氢呋喃离心洗涤，在70～80℃下真空干燥12～24h后得到黑色粉末，即所述的基于吡嗪的二维有机多孔材料。本专利技术实施例还提供了前述方法制备的基于吡嗪的二维有机多孔材料。本专利技术实施例还提供了前述基于吡嗪的二维有机多孔材料于制备锂离子电池正极中的用途。本专利技术实施例还提供了一种锂离子电池正极，其包含前述基于吡嗪的二维有机多孔材料。本专利技术实施例还提供了一种锂离子电池，包括正极、负极及电解液，所述正极包括前述锂离子电池正极。本专利技术实施例还提供了一种锂离子电池的制备方法，其包括：将前述基于吡嗪的二维有机多孔材料、导电剂以及粘结剂混合均匀，之后将所获混合物施加于导电集流体上，形成电池正极，然后与负极、电解液组装成锂离子电池。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术首次从芘酮类单体出发，利用离子热法合成了基于吡嗪的具有扩展π-π共轭平面的刚性有机多孔材料。本专利技术制备的基于吡嗪的二维有机多孔材料具有高的比表面积和良好的热稳定性。将其用于制备锂离子电池正极具有较高的比容量和出色的循环稳定性，因此，本专利技术制备的基于吡嗪的二维有机多孔材料可应用于锂离子电池正极材料，同时在功能性有机材料领域具有良好的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1a-1c分别是本专利技术实施例1～3中所得基于吡嗪的二维有机多孔材料PTBH-NO2、PTBH和PTTA-NO2的红外光谱图；图2a-2b分别是本专利技术实施例1和3中所得基于吡嗪的二维有机多孔材料PTBH-NO2和PTTA-NO2的固体核磁碳谱；图3a-3d是本专利技术实施例1～4中所得基于吡嗪的二维有机多孔材料PTBH-NO2、PTBH、PTTA-NO2和PTTA的粉末X射线衍射图；图4a-4d是本专利技术实施例1～4中所得基于吡嗪的二维有机多孔材料PTBH-NO2、PTBH、PTTA-NO2和PTTA的氮气吸附脱附等温线图；图5a-5d是本专利技术实施例1～4中所得基于吡嗪的二维有机多孔材料PTBH-NO2、PTBH、PTTA-NO2和PTTA的孔径分布图；图6a-6d是本专利技术实施例1～4中所得基于吡嗪的二维有机多孔材料PTBH-NO2、PTBH、PTTA-NO2和PTTA的热重分析曲线图；图7a-7d分别是本专利技术实施例6、8、10和12制备的基于吡嗪的二维有机多孔材料电池的倍率性能测试曲线图；图8a-8d分别是本专利技术实施例6、8、10和12制备的基于吡嗪的二维有机多孔材料电池的循环稳定性测试曲线图；图9a-9d是本专利技术实施例6、8、10和12制备的基于吡嗪的二维有机多孔材料电池的电化学阻抗谱；图10a-10d是本专利技术实施例6、8、10和12制备的基于吡嗪的二维有机多孔材料电池的循环伏安曲线图。具体实施方式鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要利用离子热法在高温下合成基于吡嗪的二维有机多孔材料。下面将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。本专利技术实施例的一个方面提供了一种基于吡嗪的二维有机多孔材料，所述有机多孔材料有如式(I)和/或式(II)中所示的结构：其中，R选自NO2和H中的任一者。在一些较为具体的实施方案中，所述基于吡嗪的二维有机多孔材料具有无定形结构。进一步的，当R为NO2时，所述具有式(I)所示结构的基于吡嗪的二维有机多孔材料的比表面积为1100～1200m2/g，孔径主要分布在0.55nm和0.89nm。进一步的，当R为H时，所述具有式(I)所示结构的基于吡嗪的二维有机多孔材料的比表面积为1100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于吡嗪的二维有机多孔材料，其特征在于：它具有如式(I)或式(II)中所示的结构：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于吡嗪的二维有机多孔材料，其特征在于：它具有如式(I)或式(II)中所示的结构：



其中，R选NO2和H中的任一者。


2.根据权利要求1所述的基于吡嗪的二维有机多孔材料，其特征在于：所述基于吡嗪的的二维有机多孔材料具有无定形结构；
和/或，所述基于吡嗪的二维有机多孔材料具高比表面积和开放的孔结构。


3.一种基于吡嗪的二维有机多孔材料的制备方法，其特征在于包括：
在压力为-100～-110Kpa的条件下使包含芘酮类物质、芳基胺类物质和氯化锌的均匀混合反应体系于350～450℃反应40～50h，制得基于吡嗪的二维有机多孔材料。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述芘酮类物质包括2，7-二硝基芘-4，5，9，10-四酮和/或芘-4，5，9，10-四酮；
和/或，所述芳基胺类物质包括六氨基苯三盐酸盐和/或三亚苯基-2，3，6，7，10，11-六胺六盐酸盐；
和/或，所述氯化锌作为均匀混合反应体系的溶剂和催化剂；
和/或，所述芘酮类物质、芳基胺类物质与氯化锌的用量比为3∶2∶20～3∶2∶30；
和/或，采用2～5℃/min的升温速率将所述均匀混合反应体系的温度升温至350～450℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜亚，崔超慧，李震，张瑛頔，姜寒，刘玉婷，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32