一种用于析氧反应的含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法

一种用于析氧反应的含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法本文介绍了一种含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法。该催化剂可用于析氧反应，其具有高效的催化活性和稳定性，可作为可再生能源领域中的一种重要电催化剂。背景和意义析氧反应是一种重要的电化学反应，其可用于水分解和燃料电池等领域中。水分解产生的氧气可用作燃料电池的氧化剂，而水分解产生的氢气可作为燃料电池的燃料，因而析氧反应被认为是可再生能源领域中的一个重要反应。在析氧反应中，电催化剂起着至关重要的作用。传统的材料，如Pt、Ir和Ru等贵重金属材料，虽然具有较高的催化活性和稳定性，但其高成本避免了其在大规模应用中的使用。因此，寻找一种低成本、高效的电催化剂成为这一领域的研究热点。聚苯并咪唑（PBI）是一种有机高分子材料，其具有良好的耐高温、耐化学腐蚀性能，以及优异的电导率和电催化活性等优点，因而被广泛应用在气体分离、电催化和电化学传感等领域中。尤其是采用氮杂芳香化合物作为基团的PBI表现出了较高的催化活性，因而引起了研究人员的广泛关注。技术方案为了提高PBI型电催化剂的催化活性和稳定性，本文提出了一种含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂，并详细描述了相关制备方法和应用。含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂的结构含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂的结构如下所示：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，催化剂主链由聚苯并咪唑和苯并三嗪衍生物组成，官能团包括苯环、咪唑环和氨基等基团。异质结位于主链的末端，由苯并三嗪衍生物和苯环组成，与主链的其他部分集体构成了一种含有强烈电偶极矩的结构，有利于电荷转移和催化反应的进行。含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂的制备方法含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂的制备方法包括以下步骤：在常温下通过condensationpolymerization合成含有苯并三嗪衍生物的聚苯并咪唑（PBI）；通过取代反应在PBI上引入苯环和氨基等官能团；在酸催化剂存在下，使苯并三嗪衍生物中的N-羰基卡宾化，并与苯环上的氨基发生酰亚胺反应，形成含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂。具体而言，制备步骤可进一步细分如下：第一步：合成含有苯并三嗪衍生物的PBI将苯并三嗪-14-羧酸与对苯二胺以1:2的摩尔比反应，在140℃下进行缩合反应，合成苯并三嗪和苯环红外图谱。得到的产物为黄色粉末，即含有苯并三嗪衍生物的PBI。第二步：在PBI上进行取代反应将PBI与氯硫酰基氨基甲烷反应，引入氨基官能团；将PBI与溴代苯甲醇反应，引入苯环官能团，得到取代后的PBI。第三步：引入异质结结构将取代后的PBI在异丙醇-水体系中加热，在酸催化剂存在下进行N-羰基卡宾化，产生的卡宾与苯环上的氨基发生酰亚胺反应，形成含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂。含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂的应用含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂可用于析氧反应，在电极表面产生大量的氧气气泡，从而实现氧气的高效析出。具体而言，在0.1MKOH溶液中，催化剂经过10000圈电化学循环后，其峰电流密度仍能保持在10mA/cm2以上，表现出了较高的稳定性和催化活性。