[发明专利]一种基于分子内或分子间非对称有机分子电催化剂的制备方法及其在锌空电池中的应用

说明书

本发明涉及氧还原电催化剂领域，具体涉及一种基于分子内或分子间非对称有机分子的电催化剂的制备方法及其在锌空电池中的应用。制备了非对称有机分子氧还原电催化剂，非对称有机分子的结构可调，活性位点可控，可有效避免常规碳化或掺杂方法无法精确合成确切的分子结构，导致杂原子/缺陷催化中心与活性位点认识不清晰的问题。由于非对称分子结构有助于打破π共轭体系的完整性，使共轭骨架上电子发生大面积再分布，进而影响材料的催化活性和活性位点数量。本发明通过调节有机分子的非对称程度，与相应的对称有机分子相比，明显增加了氧还原电催化剂在碱性条件下的催化活性，这为揭示非对称杂环有机分子的催化作用机理研究提供新思路。

技术领域

本发明涉及氧还原电催化剂技术领域，具体涉及一种基于分子内或分子间非对称有机分子电催化剂的制备方法及其在锌空电池中的应用。

背景技术

能源与环境是人类生存和发展的重要支撑，而传统的化石能源一直是人类社会的主要供能来源。随着全球经济的高速发展和工业化进展的不断深入，能源资源瓶颈制约日益突出，环境约束也不断加剧。因此，发展高效率、无污染、稳定性好、可再生的新能源成为未来能源发展的重要方向。近年来，在诸多能源转换技术中，燃料电池作为一种将化学能转换为电能的装置，为解决能源资源瓶颈问题提供了新的思路。阴极氧还原反应(ORR)的效率决定整个燃料电池的性能。氧还原电催化剂是其关键材料之一。作为贵金属铂(Pt)催化剂的替代者，非金属碳材料以其来源丰富、成本低等优点，展现出优异的ORR性能，近年来引起了国内外研究人员的极大关注。

迄今，研究人员使用多样的碳材料体系、种类各异的非金属杂原子掺杂剂以及不同温度范围的碳化方式，通过化学掺杂和缺陷诱导等策略开发高催化效率的非金属碳氧还原电催化剂，一方面说明这些调控方式是实现碳材料功能化简易、有效的方法；另一方面也反映出材料制备过程中的化学掺杂和缺陷诱导方法导致活性位点的不确定性以及不可控的活性位点对催化反应机理研究产生的局限性。虽然研究人员已经进行了大量相关催化活性的研究，但不能精确合成并调控催化活性位点，无法进一步准确设计具有高催化活性的材料体系。因此，采用非对称策略改变碳材料本身的电子结构，打破了电荷的分布平衡，将均匀分布的电荷变为定域聚集，使其表现出新活性，这对加速高活性氧还原电催化剂的发展具有重要的科学意义与技术前景。

发明内容

本发明提出了采用非对称分子策略可控性调节电荷分布、设计催化活性位点，开发一类非金属、无碳化、结构可调、活性位点可控的高分子催化材料。通过设计分子内不对称和分子间不对称的两类结构单元，将其作为核心单元构建具有非对称结构的杂环有机分子氧还原电催化剂。

为了解决上述技术问题，本申请的技术方案具体包括以下两个方面：

1.基于分子内的结构不对称：固定苯基结构，分别与噻吩、硒吩、吡啶、吡嗪等非苯基的杂环结构结合；或者固定噻吩结构，分别与硒吩、吡啶、吡嗪等非噻吩的杂环结构结合，或者在对称分子结构上引入硼、氮等杂原子来实现分子内非对称结构的可控开发。

2.基于分子间的结构不对称：在对称分子的一侧连接具有结构差异的有机分子；或者在对称分子的两侧分别连接两个具有结构差异的有机分子来实现分子间非对称结构的可控开发。通过结构的可控合成，探究杂环结构和分子非对称性对催化性能的影响，揭示非对称杂环高分子的微观界面氧还原反应及催化作用机理。

具体步骤：

一种基于分子内或分子间非对称有机分子电催化剂的制备方法，具体步骤如下：

将分子内非对称的有机化合物或分子间非对称的有机化合物与一定比例的石墨烯在溶剂中用超声探头超声至充分的混合，除去溶剂后得到电催化剂，所述有机化合物与石墨烯的质量比为100:1～1:100(优选为1：1)；

所述分子内非对称的有机化合物选自以下化合物中一种：

1、基于苯基单元的小分子和高分子：