一種用于析氧反應(yīng)的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑及其制備方法

一種用于析氧反應(yīng)的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑及其制備方法本文介紹了一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑及其制備方法。該催化劑可用于析氧反應(yīng)，其具有高效的催化活性和穩(wěn)定性，可作為可再生能源領(lǐng)域中的一種重要電催化劑。背景和意義析氧反應(yīng)是一種重要的電化學(xué)反應(yīng)，其可用于水分解和燃料電池等領(lǐng)域中。水分解產(chǎn)生的氧氣可用作燃料電池的氧化劑，而水分解產(chǎn)生的氫氣可作為燃料電池的燃料，因而析氧反應(yīng)被認(rèn)為是可再生能源領(lǐng)域中的一個(gè)重要反應(yīng)。在析氧反應(yīng)中，電催化劑起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的材料，如Pt、Ir和Ru等貴重金屬材料，雖然具有較高的催化活性和穩(wěn)定性，但其高成本避免了其在大規(guī)模應(yīng)用中的使用。因此，尋找一種低成本、高效的電催化劑成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。聚苯并咪唑（PBI）是一種有機(jī)高分子材料，其具有良好的耐高溫、耐化學(xué)腐蝕性能，以及優(yōu)異的電導(dǎo)率和電催化活性等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在氣體分離、電催化和電化學(xué)傳感等領(lǐng)域中。尤其是采用氮雜芳香化合物作為基團(tuán)的PBI表現(xiàn)出了較高的催化活性，因而引起了研究人員的廣泛關(guān)注。技術(shù)方案為了提高PBI型電催化劑的催化活性和穩(wěn)定性，本文提出了一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑，并詳細(xì)描述了相關(guān)制備方法和應(yīng)用。含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑的結(jié)構(gòu)含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑的結(jié)構(gòu)如下所示：P

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H2NNH2H2N/|

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C==N-C6H3-N==C-C==N-C6H3-CH2-NH-C6H5

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HC6H4C6H4C6H4C6H5其中，催化劑主鏈由聚苯并咪唑和苯并三嗪衍生物組成，官能團(tuán)包括苯環(huán)、咪唑環(huán)和氨基等基團(tuán)。異質(zhì)結(jié)位于主鏈的末端，由苯并三嗪衍生物和苯環(huán)組成，與主鏈的其他部分集體構(gòu)成了一種含有強(qiáng)烈電偶極矩的結(jié)構(gòu)，有利于電荷轉(zhuǎn)移和催化反應(yīng)的進(jìn)行。含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑的制備方法含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑的制備方法包括以下步驟：在常溫下通過(guò)condensationpolymerization合成含有苯并三嗪衍生物的聚苯并咪唑（PBI）；通過(guò)取代反應(yīng)在PBI上引入苯環(huán)和氨基等官能團(tuán)；在酸催化劑存在下，使苯并三嗪衍生物中的N-羰基卡賓化，并與苯環(huán)上的氨基發(fā)生酰亞胺反應(yīng)，形成含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑。具體而言，制備步驟可進(jìn)一步細(xì)分如下：第一步：合成含有苯并三嗪衍生物的PBI將苯并三嗪-14-羧酸與對(duì)苯二胺以1:2的摩爾比反應(yīng)，在140℃下進(jìn)行縮合反應(yīng)，合成苯并三嗪和苯環(huán)紅外圖譜。得到的產(chǎn)物為黃色粉末，即含有苯并三嗪衍生物的PBI。第二步：在PBI上進(jìn)行取代反應(yīng)將PBI與氯硫?；被淄榉磻?yīng)，引入氨基官能團(tuán)；將PBI與溴代苯甲醇反應(yīng)，引入苯環(huán)官能團(tuán)，得到取代后的PBI。第三步：引入異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)將取代后的PBI在異丙醇-水體系中加熱，在酸催化劑存在下進(jìn)行N-羰基卡賓化，產(chǎn)生的卡賓與苯環(huán)上的氨基發(fā)生酰亞胺反應(yīng)，形成含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑。含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑的應(yīng)用含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑基電催化劑可用于析氧反應(yīng)，在電極表面產(chǎn)生大量的氧氣氣泡，從而實(shí)現(xiàn)氧氣的高效析出。具體而言，在0.1MKOH溶液中，催化劑經(jīng)過(guò)10000圈電化學(xué)循環(huán)后，其峰電流密度仍能保持在10mA/cm2以上，表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性和催化活性。