[发明专利]一种基于傅-克反应的π-共轭多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于新能源技术领域，具体涉及可用于超级电容器电极的一种基于傅‑克反应的π‑共轭多孔碳材料及其制备方法和应用。制备方法包括如下步骤，以多孔有机聚合物作为前驱体，在氮气保护下，800‑1000℃下碳化后得到多孔碳材料。多孔有机聚合物的制备方法如下：在催化剂存在的条件下，将含有苯环的有机化合物或其与三聚氯氰的混合物溶于有机溶剂中，在60‑80℃下回流反应；反应结束后冷却至室温，依次用丙酮，二氯甲烷和水在常温下洗涤，再分别用四氢呋喃，甲醇和三氯甲烷进行索式提取；真空干燥，得到多孔有机聚合物。本发明制备的氮掺杂π‑共轭多孔碳材料含氮量高，作为超级电容器的电极材料，最高比电容可达366F/g，在电化学领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及可用于超级电容器电极的一种基于傅-克反应的π-共轭多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于能源消耗的增加以及日益增长的环境问题，储能技术的研究已成为公众热议的话题。研究人员正在努力探索开发清洁、高效和绿色的能源，如燃料电池，锂离子电池，Na/S电池和超级电容器等。超级电容器作为电池的重要补充，是必不可少的电化学装置，由于成本低且具有高功率密度和长循环寿命而受到广泛关注。超级电容器通过离子吸收(电双层电容，EDLC)或快速表面氧化还原反应(赝电容，PC)来存储能量。在电极/电解质表面产生的双电层是电极电容的量度，而电极材料是这种电化学发生过程的关键物质。近十几年来，科学家们主要致力于设计新的电极材料以增强超级电容器电极的比电容，同时保持其高功率性能。多孔碳材料由于其优异的导电性、机械柔韧性以及可控的物理性质等优势，是作为超级电容器电极材料的首选。

多孔有机聚合物(POPs)作为一类新兴材料，由于其具有高比表面积、低骨架密度和优异的热化学稳定性等固有性能，在气体储存、分离、催化、传感器和电化学领域存在广泛应用。此外，多孔有机聚合物具有多样化的合成路线，可以事先选择具有特定功能的有机结构单元通过多种反应途径来制备，进而改善聚合物的性能，为功能性骨架结构设计提供新的思路。由于多孔有机聚合物自身的导电性较差，限制了它们在超级电容器中的实际应用。为了使多孔有机聚合物可以有效地作为电极材料，通过采用直接碳化前驱体的方法，可以显著改善它们的比电容。目前的研究主要集中在制备具有高比电容的碳电极材料用于超级电容器。研究发现，与增强比表面积相比，通过在多孔碳材料中引入π-共轭体系是更有前途的替代方案。丰富的π-共轭体系可以提供大量的活性位点，便于离子传输，从而增强电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便可行的π-共轭多孔碳材料，将其应用在超级电容器的电极材料中。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于傅-克反应的π-共轭多孔碳材料，制备方法包括如下步骤，以多孔有机聚合物作为前驱体，在氮气保护下，800-1000℃下碳化1-4h，冷却后得到多孔碳材料C-LNUs。

上述的一种基于傅-克反应的π-共轭多孔碳材料，所述的多孔有机聚合物是以含π-共轭的有机单体为构筑基元，在催化剂的作用下，通过傅-克烷基化反应自聚或者与三聚氯氰共聚得到的多孔有机聚合物LNUs。

上述的一种基于傅-克反应的π-共轭多孔碳材料，所述的多孔有机聚合物LNUs具有如下结构式：

上述的一种基于傅-克反应的π-共轭多孔有机聚合物的制备方法，包括如下步骤：在路易斯酸催化剂存在的条件下，将含有苯环的有机化合物或其与三聚氯氰的混合物溶于有机溶剂中，在60-80℃下回流反应36-60小时；待反应结束后，冷却至室温，将反应生成的固体依次用丙酮，二氯甲烷和水在常温下洗涤，再分别用四氢呋喃，甲醇和三氯甲烷索式提取12-36小时；最后80-100℃下真空干燥8-14小时，得到多孔有机聚合物LNUs。

上述的一种基于傅-克反应的π-共轭多孔有机聚合物的制备方法，所述的含苯环的有机化合物是六苯基苯，八苯基环四硅氧烷或2,4,6-三甲基-2,4,6-三苯基环三硅氧烷中的一种。