一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料及其制备方法及应用

本发明属于电极材料制备领域，具体涉及一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料及其制备方法及应用。

背景技术：

1、进入二十一世纪后，世界各国科技与工业迅速发展，对于能源的需求也与日俱增，发展如风能、氢能、太阳能等可再生清洁能源，已成为人类社会进步的必然需求。然而上述这些可再生能源并不能持续稳定的获取或者存在难于运输的问题，难以进行大规模的应用。而利用储能器件将这些可再生能源储存、转化、并入国家电网是解决这一问题的重要途经。

2、水系锌离子电池由于具有成本低廉、生态友好、安全性高等优点而被认为是具有良好的发展前景的大规模储能器件。金属锌具有较大的理论比容量(820mah·g-1)和较低的氧化还原电位(-0.76v)。因此，水系锌离子电池有望获得较高的能量密度。锌离子电池最常用的电极材料为无机电极材料，而大多数的无机材料含有的过渡金属这具有资源稀缺、制备困难且对环境不友好等缺点，难以进行回收和再利用。因此，科学家们将目光投向了绿色环保的有机电极材料。

3、有机材料具有比能量高、可设计性且经济及环境友好等特点，使其在电池电极材料应用上具有很多优势。有机分子材料在金属离子嵌入和脱出时，分子结构趋于稳定，且对金属离子种类没有限制，这对于电池在较长时间下的循环稳定性非常有利。有机电极材料通常采用缺电子体系，常见的官能团有碳氮双键和碳氧双键等等，有机材料的结构还可以精确的分子设计，这对可充电水系锌离子电池的性能提升非常重要。因此，设计和开发多活性位点与结构多样性的有机电极材料，对于构建高容量、长循环寿命与高能量密度的储能器件至关重要。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，提供一种可作为锌离子电池的电极材料的新型共价有机框架材料的制备方法。

2、上述的技术问题通过以下的技术方案实现：一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料，其特征在于，所述的共价有机框架材料是hatbpta，结构如式(ⅰ)：

3、

4、上述的一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料的制备方法，包括如下步骤，将六氮杂萘羧酸和3,3’-二氨基联苯胺溶于水中，在加入一定量催化剂后，放入反应釜中进行反应，经过滤、洗涤、干燥，得棕黑色产物hatbpta；

5、六氮杂萘羧酸的结构式如下：

6、

7、3,3’-二氨基联苯胺的结构式如下：

8、

9、上述的制备方法，所述的催化剂为3m醋酸溶液。

10、上述的制备方法，所述的化六氮杂萘羧酸和3,3’-二氨基联苯胺的摩尔比为1:1.5。

11、上述的制备方法，所述的反应是在180℃下反应三天。

12、上述的制备方法，所述的干燥是60℃干燥12h。

13、上述的一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料作为水系锌离子电池电极材料的应用。

14、上述的应用，方法如下：

15、1)将集流体钛箔制成电极片；

16、2)将上述的共价有机框架材料、super p、聚偏氟乙烯按照一定质量比研磨后，加入溶剂nmp研磨成均匀且无颗粒感的浆料，并均匀地涂覆在电极片上；

17、3)将涂覆好的电极片放入60℃的真空干燥箱中干燥12h，除去残留的溶剂，称重并计算载量；

18、4)电池的组装：采用2032型的扣式电池标准，在负极壳中依次放入锌片、隔膜、电解液、步骤3)得到的电极片、垫片、弹片、正极壳，之后用封装机封装上，得到水系锌离子2032型扣式电池。

19、上述的应用，步骤2)中，共价有机框架材料、super p、聚偏氟乙烯的质量比为6:3:1。

20、上述的应用，步骤4)中，所述的电解液的浓度为1m zn(cf3so3)2的水溶液，体积为120μl。

21、本发明的有益效果：

22、1、本发明合成的hatbpta作为锌离子电池的电极材料表现出了较高容量，在1a·g-1的电流密度下，表现出83mah·g-1的放电比容量。

23、2、hatbpta作为锌离子电池的电极材料既可以吸附zn2+，又可以吸附h+，正是由于h+的嵌入，使hatbpta有高的比容量。

24、3、本发明的hatbpta材料易于合成，使用溶剂为水，环保绿色高效，可用于大规模制备。

技术特征：

1.一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料，其特征在于，所述的共价有机框架材料是hatbpta，结构如式(ⅰ)：

2.权利要求1所述的一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，将六氮杂萘羧酸和3,3’-二氨基联苯胺溶于水中，在加入一定量催化剂后，放入反应釜中进行反应，经过滤、洗涤、干燥，得棕黑色产物hatbpta。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的催化剂为3m醋酸溶液。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的化六氮杂萘羧酸和3,3’-二氨基联苯胺的摩尔比为1:1.5。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的反应是在180℃下反应三天。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的干燥是60℃干燥12h。

7.权利要求1所述的一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料作为水系锌离子电池电极材料的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，方法如下：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，步骤2)中，共价有机框架材料、super p、聚偏氟乙烯的质量比为6:3:1。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，步骤4)中，所述的电解液的浓度为1mzn(cf3so3)2的水溶液，体积为120μl。

技术总结本发明属于电极材料制备领域，具体涉及一种基于聚苯并咪唑类的共价有机框架材料及其制备方法及应用。该材料是通过将六氮杂萘羧酸HAT‑COOH和二氨基联苯胺BPTA通过水热合成的方法制备而得。上述材料的制备方法包括将六氮杂萘羧酸与二氨基联苯胺按一定摩尔比混合后，溶解于水中，经过水热反应，抽滤，洗涤，得到一种聚苯并咪唑类共价有机框架材料HATBPTA。此新型材料在水系锌离子电池体系中展现了良好的电化学性能，本发明方法工艺简单，有利于大规模工业制备，推进廉价、高效、环保的水系锌离子电池产业化的发展。技术研发人员：赵钦,罗鑫仪,孙晓东,黄子航,孙颖,刘骥驰受保护的技术使用者：辽宁大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18