[發明專利]一種基于四嗪環聚咔唑的氮摻雜碳氧還原催化劑及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 201810469059.3
• 申請日: 2018-05-16
• 公開（公告）號: CN108767275A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 陳紅飆;孫滔;陽梅;劉益江;黎華明
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 北京卓恒知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11394
• 代理人: 徐樓

1.一種基于四嗪環聚咔唑的氮摻雜碳氧還原催化劑，它是通過以下制備方法所制備的：首先將3,6-雙(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪通過取代反應制備3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪(TCy)單體；然后將3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪(TCy)通過Friedel-Crafts烷基化反應或氧化偶聯反應即得到四嗪環聚咔唑；再將四嗪環聚咔唑熱解，得到氮摻雜碳(N/C)氧還原(ORR)催化劑。

2.根據權利要求1所述的氮摻雜碳氧還原催化劑，其特征在于：3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪單體(TCy)由3,6-雙(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪和咔唑鹽通過取代反應合成；和/或

Friedel-Crafts反應為：3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪和交聯劑在Lewis酸催化劑的作用下進行反應；和/或

氧化偶聯反應為：3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪和引發劑在FeCl₃催化作用下進行反應。

3.根據權利要求2所述的氮摻雜碳氧還原催化劑，其特征在于：所述咔唑鹽為咔唑和堿反應獲得；作為優選，所述堿為強堿，更優選堿為KOH或NaOH；和/或

所述Lewis酸催化劑為FeCl₃、ZnCl₂、AlCl₃和BF₃中的一種或幾種；和/或

所述的引發劑為過氧化二苯甲酰、偶氮二異丁腈、過硫酸鉀和偶氮二異庚腈中的一種或幾種。

4.一種制備基于四嗪環聚咔唑的氮摻雜碳氧還原催化劑的方法或制備權利要求1-3中任一項所述基于四嗪環聚咔唑的氮摻雜碳氧還原催化劑的方法，該方法包括以下步驟：

(1)3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪(TCy)的制備：往3,6-雙(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪的乙腈溶液中緩慢滴加咔唑鹽，攪拌，回流反應；然后冷卻，過濾、洗滌和干燥，得到3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪；

(2)PTCy-1聚合物的合成：在3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪的溶液中加入交聯劑，攪拌，再將Lewis酸催化劑加于反應體系中，進行攪拌反應，然后冷卻，過濾，洗滌，干燥，即得到四嗪環聚咔唑(PTCy-1)；或

PTCy-2聚合物的合成：在3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪、引發劑、FeCl₃和有機溶劑加入燒瓶中，攪拌反應，沉降，過濾，干燥，即得到四嗪環聚咔唑(PTCy-2)；

(3)熱解反應：將四嗪環聚咔唑通過真空管式爐熱解，即得到基于四嗪環聚咔唑的氮摻雜碳氧還原催化劑。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：步驟(1)具體為：在3,6-雙(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪的乙腈溶液中加入咔唑鹽，室溫攪拌0.5-5h(優選為1-2h)，回流反應4-12h(優選為6-10h)，冷卻至室溫，過濾、洗滌(優選采用有機溶液洗滌)，干燥，采用石油醚/三氯甲烷過柱，得到3,6-二(咔唑基)-1,2,4,5-四嗪。