[发明专利]一种共轭聚芘纳米花的合成方法及其作为钾离子电池负极材料的应用

说明书

本发明公开了一种共轭聚芘纳米花的合成方法及其作为钾离子电池负极材料的应用，首先以单体芘为底物、以无水FeCl₃为氧化偶联剂，在1,2‑二氯乙烷溶剂热反应条件下制得聚芘；然后将聚芘加入到HCl溶液中搅拌，去除无机铁；最后再通过索氏提取进行纯化以去除小分子，即获得共轭聚芘纳米花。本发明的制备方法简单、所用原料廉价易得，所得产物应用于钾离子电池负极具有优异的循环稳定性以及高的比容量。

技术领域

本发明涉及一种共轭聚芘纳米花的合成方法及其作为钾离子电池负极材料的应用，属于纳米材料领域。

背景技术

18世纪人类工业革命以来，化石类能源的过度消耗造成了资源短缺、环境污染以及严重的温室效应。采用新能源体系，减少化石类能源的利用，是摆在人类面前的迫切问题。然而就目前已商业化的锂离子电池来说，锂元素自然丰度不高、地球分布不均，数十年来锂离子电池居高不下的成本问题是制约锂离子电池市场化进一步发展的根本性因素。为了解决这一问题，丰度大、价格低的钾元素便进入了人们的视线，激发了人们对钾离子电池的广泛研究。

金属离子电池的主要原料为钴、锂、镍、锰。钴资源匮乏、价格昂贵，而且回收困难，会对环境造成严重的破坏。因此，近年来，有机电极材料因其资源可持续性和环境友好性受到越来越多的关注。有机小分子溶于电解液，作为电极材料时循环性能差，而聚合有利于抑制有机电极材料在电解质中的溶解问题。同时有机聚合物材料具有良好的导电性和优良的空间网络结构，在充放电的同时能够安全地将钾元素锁在聚合物网络中，为提高钾离子电池的安全性和稳定性带来了希望。

发明内容

本发明的目的是提供一种共轭聚芘纳米花的合成方法及其作为钾离子电池负极材料的应用，以提高电池的循环性能和循环比容量。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

一种共轭聚芘纳米花的合成方法，其特点在于：首先以单体芘为底物、以无水FeCl₃为氧化偶联剂，在1,2-二氯乙烷溶剂热反应条件下制得聚芘；然后将聚芘加入到HCl溶液中搅拌，以去除无机铁；最后再通过索氏提取进行纯化以去除小分子，即获得共轭聚芘纳米花。具体包括如下步骤：

步骤1、将5mL～15mL 1,2-二氯乙烷、0.5mL～1.5mL硝基甲烷加入到反应釜中，再加入1.21～4.02g的氯化铁；将0.5g单体芘溶于5mL～15mL 1,2-二氯乙烷中，然后倒入所述反应釜内，在70～150℃反应10～24h；冷却到室温，抽滤，所得沉淀用乙醇和去离子水洗涤后，真空干燥，获得聚芘沉淀；

步骤2、将步骤1所得聚芘沉淀加入到15mL～40mL 2M的HCl溶液中，搅拌0.5h～4h，抽滤，所得沉淀用乙醇和去离子水洗涤后，真空干燥；

步骤3、将步骤2所得产物依次用甲醇和二氯甲烷索氏提取，然后真空干燥，即获得共轭聚芘纳米花。

进一步地，步骤1、步骤2和步骤3所述真空干燥是在60～80℃条件下干燥12～24h。

进一步地：用甲醇索氏提取的温度为90℃、时间为12h；用二氯甲烷索氏提取的温度为80℃、时间为12h。

本发明还公开了按上述合成方法所合成的共轭聚芘纳米花，其为二维纳米片相互连接成的纳米花状结构，可用于作为钾离子电池的负极材料。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用芘类小分子，通过特定条件下的有机聚合反应，制备了共轭聚合物，充分利用芘单元良好的电化学活性的同时，提高聚合物的稳定性和导电性。本发明的共轭聚芘纳米花材料制备方法简单、所用原料廉价易得，易于合成、性能稳定。