[发明专利]一种利用反应磨制备共价有机聚合物的方法与应用

说明书

本发明公开了一种利用反应磨制备共价有机聚合物的方法，应用于能源器件相关反应过程（如氧还原反应ORR和氧析出反应OER等）催化剂的研发与制备。所述方法步骤如下：将含有可以生成共价键的官能团的单体置于反应磨罐中，以一定频率研磨一段时间后，得到共价有机聚合物，经高温炭化后制备能够应用于电化学过程的催化剂。本发明工艺简单，操作方便，溶剂用量极少，无污染，安全环保，可用于宏量制备共价有机聚合物，满足商业应用。

技术领域

本发明涉及量化制备共价有机聚合物用于生产能源器件反应过程催化剂领域，具体涉及一种利用反应磨制备共价有机聚合物的方法与应用。

背景技术

目前的能源器件包括燃料电池、金属-空气电池、太阳能电池以及超级电容器等，具有较高的能量转换和储存效率，是目前具有很好的发展前景的高效、清洁能源装置，其应用领域广泛，可应用于移动电源、能源汽车电池和便携式电源等。与常规的能源储存转化装置相比，上述的能源转化的转化效率更高，中间不经历燃烧反应过程，减少了热能损失，因而化学能和电能之间的转化率非常高，转化效率一般高达60%。上述的能源器件商业应用的最大挑战在于如何寻找高效、廉价、可量化生产的ORR和OER等过程的催化剂。目前催化ORR过程最好的催化剂为Pt/C催化剂，OER性能最好的是RuO₂，IrO₂等贵金属氧化物，但是贵金属，其储量少，价格高，给实际工业应用带来了很大的困难，同时Pt/C、RuO₂和IrO₂均为单效催化剂，电池上的应用需要循环发生ORR和OER反应，所以这就要求我们能够研究出双效催化剂，以在实际应用过程中可以提供更多便利。N、P、S等单原子或多原子掺杂的碳材料是目前较为理想的高效、廉价的贵金属替代物，同时共价有机聚合物以其优异的二维结构和可设计性是目前研究较多的催化剂前驱体，已经报道的以二维共价有机聚合物为骨架掺杂氮、磷、硫等非金属的碳基催化剂在电催化领域都有很好的应用。然而目前共价有机聚合物的合成方法多为溶剂热、离子热以及微波等溶剂合成的方法，其合成效率低，通常需要几天的时间，且在合成过程中需要使用大量的有毒有害溶剂，合成过程中污染严重，这些对于催化剂工业化生产都带来了很大的困难。本发明所提出的机械合成可以实现不用溶剂或只使用少许溶剂高效大规模的生产共价有机聚合物（COP）从而实现催化剂的工业化生产，目前机械合成的工业化应用主要涉及矿物加工，合金的制备以及纳米材料的制备等，其过程要是利用机械力将固体粒径减小从而优化材料性能，过程多为物理过程。而在机械力的作用过程中除了提供剪切力之外还可以提供大量的能量，这也是机械合成能够应用在大分子有机聚合物的合成上的原因，由于大分子有机聚合物的合成所需要的能量远远高于配位化合物以及小分子共价有机物合成所需的能量，而目前许多领域催化剂的研究都需要在大分子有机聚合物的基础上，因此若能实现大分子有机聚合物的量产将对许多催化剂的工业应用提供了可能。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中共价有机聚合物合成效率低，且需要使用大量的有毒有害溶剂导致污染严重的问题，提供一种利用反应磨制备共价有机聚合物的方法与应用，采用的反应磨的方法，是将反应物混合不加溶剂或加少量溶剂在反应磨的条件下合成共价有机聚合物，用于量化生产制备不同共价有机聚合物。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用反应磨制备共价有机聚合物的方法，将含有特定官能团的反应单体在机械研磨的条件下合成所述共价有机聚合物。含有特定官能团的反应单体通过共价键相互连接合成所述共价有机聚合物，本发明技术方案可实现此类材料的宏量生产，所制备的共价有机聚合物经过处理够可用于ORR或OER过程的催化剂，其催化性能优于绝大部分目前的非金属催化剂。

作为优选，所述特定官能团选自氨基、硼酸基、醛基、炔基、溴基、氰基或芳香烃中的一种或几种。反应基于氨基、硼酸基、醛基、炔基、溴基、氰基以及芳香烃的偶联反应，如席夫碱反应或Suzuki反应。

作为优选，所述方法包括以下步骤：

（1）分别称取反应所需的反应单体；