[發(fā)明專(zhuān)利]一種利用反應(yīng)磨制備共價(jià)有機(jī)聚合物的方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810457387.1
• 申請(qǐng)日: 2018-05-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108636393B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 向中華;林欣欣;彭鵬
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B01J21/18
• 分類(lèi)號(hào): B01J21/18;B01J31/06;C01B32/05;C08G12/32
• 代理公司: 杭州杭誠(chéng)專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

本發(fā)明公開(kāi)了一種利用反應(yīng)磨制備共價(jià)有機(jī)聚合物的方法，應(yīng)用于能源器件相關(guān)反應(yīng)過(guò)程（如氧還原反應(yīng)ORR和氧析出反應(yīng)OER等）催化劑的研發(fā)與制備。所述方法步驟如下：將含有可以生成共價(jià)鍵的官能團(tuán)的單體置于反應(yīng)磨罐中，以一定頻率研磨一段時(shí)間后，得到共價(jià)有機(jī)聚合物，經(jīng)高溫炭化后制備能夠應(yīng)用于電化學(xué)過(guò)程的催化劑。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，操作方便，溶劑用量極少，無(wú)污染，安全環(huán)保，可用于宏量制備共價(jià)有機(jī)聚合物，滿(mǎn)足商業(yè)應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量化制備共價(jià)有機(jī)聚合物用于生產(chǎn)能源器件反應(yīng)過(guò)程催化劑領(lǐng)域，具體涉及一種利用反應(yīng)磨制備共價(jià)有機(jī)聚合物的方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

目前的能源器件包括燃料電池、金屬-空氣電池、太陽(yáng)能電池以及超級(jí)電容器等，具有較高的能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存效率，是目前具有很好的發(fā)展前景的高效、清潔能源裝置，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可應(yīng)用于移動(dòng)電源、能源汽車(chē)電池和便攜式電源等。與常規(guī)的能源儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化裝置相比，上述的能源轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化效率更高，中間不經(jīng)歷燃燒反應(yīng)過(guò)程，減少了熱能損失，因而化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)化率非常高，轉(zhuǎn)化效率一般高達(dá)60%。上述的能源器件商業(yè)應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)在于如何尋找高效、廉價(jià)、可量化生產(chǎn)的ORR和OER等過(guò)程的催化劑。目前催化ORR過(guò)程最好的催化劑為Pt/C催化劑，OER性能最好的是RuO₂，IrO₂等貴金屬氧化物，但是貴金屬，其儲(chǔ)量少，價(jià)格高，給實(shí)際工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)了很大的困難，同時(shí)Pt/C、RuO₂和IrO₂均為單效催化劑，電池上的應(yīng)用需要循環(huán)發(fā)生ORR和OER反應(yīng)，所以這就要求我們能夠研究出雙效催化劑，以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以提供更多便利。N、P、S等單原子或多原子摻雜的碳材料是目前較為理想的高效、廉價(jià)的貴金屬替代物，同時(shí)共價(jià)有機(jī)聚合物以其優(yōu)異的二維結(jié)構(gòu)和可設(shè)計(jì)性是目前研究較多的催化劑前驅(qū)體，已經(jīng)報(bào)道的以二維共價(jià)有機(jī)聚合物為骨架摻雜氮、磷、硫等非金屬的碳基催化劑在電催化領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。然而目前共價(jià)有機(jī)聚合物的合成方法多為溶劑熱、離子熱以及微波等溶劑合成的方法，其合成效率低，通常需要幾天的時(shí)間，且在合成過(guò)程中需要使用大量的有毒有害溶劑，合成過(guò)程中污染嚴(yán)重，這些對(duì)于催化劑工業(yè)化生產(chǎn)都帶來(lái)了很大的困難。本發(fā)明所提出的機(jī)械合成可以實(shí)現(xiàn)不用溶劑或只使用少許溶劑高效大規(guī)模的生產(chǎn)共價(jià)有機(jī)聚合物（COP）從而實(shí)現(xiàn)催化劑的工業(yè)化生產(chǎn)，目前機(jī)械合成的工業(yè)化應(yīng)用主要涉及礦物加工，合金的制備以及納米材料的制備等，其過(guò)程要是利用機(jī)械力將固體粒徑減小從而優(yōu)化材料性能，過(guò)程多為物理過(guò)程。而在機(jī)械力的作用過(guò)程中除了提供剪切力之外還可以提供大量的能量，這也是機(jī)械合成能夠應(yīng)用在大分子有機(jī)聚合物的合成上的原因，由于大分子有機(jī)聚合物的合成所需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于配位化合物以及小分子共價(jià)有機(jī)物合成所需的能量，而目前許多領(lǐng)域催化劑的研究都需要在大分子有機(jī)聚合物的基礎(chǔ)上，因此若能實(shí)現(xiàn)大分子有機(jī)聚合物的量產(chǎn)將對(duì)許多催化劑的工業(yè)應(yīng)用提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中共價(jià)有機(jī)聚合物合成效率低，且需要使用大量的有毒有害溶劑導(dǎo)致污染嚴(yán)重的問(wèn)題，提供一種利用反應(yīng)磨制備共價(jià)有機(jī)聚合物的方法與應(yīng)用，采用的反應(yīng)磨的方法，是將反應(yīng)物混合不加溶劑或加少量溶劑在反應(yīng)磨的條件下合成共價(jià)有機(jī)聚合物，用于量化生產(chǎn)制備不同共價(jià)有機(jī)聚合物。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種利用反應(yīng)磨制備共價(jià)有機(jī)聚合物的方法，將含有特定官能團(tuán)的反應(yīng)單體在機(jī)械研磨的條件下合成所述共價(jià)有機(jī)聚合物。含有特定官能團(tuán)的反應(yīng)單體通過(guò)共價(jià)鍵相互連接合成所述共價(jià)有機(jī)聚合物，本發(fā)明技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)此類(lèi)材料的宏量生產(chǎn)，所制備的共價(jià)有機(jī)聚合物經(jīng)過(guò)處理夠可用于ORR或OER過(guò)程的催化劑，其催化性能優(yōu)于絕大部分目前的非金屬催化劑。

作為優(yōu)選，所述特定官能團(tuán)選自氨基、硼酸基、醛基、炔基、溴基、氰基或芳香烴中的一種或幾種。反應(yīng)基于氨基、硼酸基、醛基、炔基、溴基、氰基以及芳香烴的偶聯(lián)反應(yīng)，如席夫堿反應(yīng)或Suzuki反應(yīng)。

作為優(yōu)選，所述方法包括以下步驟：

（1）分別稱(chēng)取反應(yīng)所需的反應(yīng)單體；