一种共价有机框架材料及其配体和应用的制作方法

1.本发明属于电极材料领域，具体涉及一种共价有机框架材料及其配体和应用。


背景技术：

2.化石能源的开发和利用满足了人们对于工业生产和日常生活的绝大部分能源需求，然而，化石能源储量有限，且消耗过程中会带来严重的环境污染问题，因此可再生能源的开发与利用成为了目前科研工作者的研究重点。能源储存作为能源开发和利用过程中的重要环节，对可再生能源的利用和开发具有重要意义。
3.超级电容器是一种能在短时间内输出电流以满足高功率需求的储能设备，弥补了电容器和电池之间的性能差距，其储能主要来自电极/电解液界面快速的物理吸附或法拉第电化学反应。然而，与二次电池（例如锂离子电池）相比，现有超级电容器的能量密度相对较低，这限制了他们在高耗能设备中的广泛应用。因此，大量研究工作聚焦在不牺牲其固有高功率前提下增加能量密度，其中构筑新型电极材料至关重要。
4.共价有机框架材料（covalent organic frameworks，cofs）是一类由轻质元素（h, c, o, n, b等）组成，通过共价键连接的晶态有机多孔材料。自从2005年面世以来，因其具有永久的孔隙率、密度低、结构可调控等特点，被广泛应用于催化、气体吸附分离、质子传导等领域。同时，由于共价有机框架材料具有较高比表面积和良好的稳定性能，也被认为是最具潜力的电极材料。因此开发兼具高比电容和循环稳定性的电极材料一直是本领域科研工作者不断努力的方向。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种共价有机框架材料及其配体和应用。
6.本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：本发明的目的之一在于提供一种共价有机框架材料，所述共价有机框架材料具有如下结构单元：
，命名为cof-et11。
7.本发明的目的之二在于提供一种用于制备上述共价有机框架材料的配体，所述配体具有以下结构：。
8.本发明的目的之三在于提供一种上述共价有机框架材料在制备电极材料中的应
用。
9.进一步限定，所述电极材料由上述共价有机框架材料、乙炔黑和聚四氟乙烯制备而成。
10.进一步限定，所述电极材料应用于超级电容器中。
11.本发明与现有技术相比具有的显著效果：本发明的共价有机框架材料cof-et11在恒电流充放电测试中，表现出了较高的电化学性能；在10 a/g时共价有机框架材料的质量比电容可达2989 f/g，保持率为98%；且经过10000次循环后，共价有机框架材料cof-et11仍能保持大约98%的质量比电容，具有良好的循环稳定性，这些优异性能使得共价有机框架材料cof-et11在超级电容器领域中具有良好的应用前景。
附图说明
12.图1为本发明的共价有机框架材料cof-et11的制备路线图；图2为本发明实施例中配体的核磁氢谱图；图3为本发明实施例中配体的核磁碳谱图；图4为本发明实施例中配体的质谱图；图5为本发明实施例中共价有机框架材料cof-et11的质谱图；图6为本发明实施例制得的共价有机框架材料cof-et11的红外表征；图7为本发明实施例制得的共价有机框架材料cof-et11的恒电流充放电测试；图8为本发明实施例制得的共价有机框架材料cof-et11的质量比电容与电流密度的关系曲线；图9为本发明实施例制得的共价有机框架材料cof-et11的循环稳定性测试结果。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
14.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
15.下述实施例中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
16.本发明所述“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
17.下述实施例中所用2-氨基-5-氰基-3-甲基苯甲酸甲酯（cas：1032667-87-0）、1.4-吡嗪二甲醛（cas：4164-39-0）均从上海皓鸿生物医药科技有限公司直接采购获得。元素分
析所用仪器为德国elementarunicube元素分析仪。
18.实施例：共价有机框架材料cof-et11的合成路线如说明书附图1所示，具体的制备方法按以下步骤进行：第一步、配体的合成：向50毫升三口瓶中加入2-氨基-5-氰基-3-甲基苯甲酸甲酯（772毫克, 6.5毫摩尔）、三氯甲烷10毫升，氮气置换3次，然后降温至0℃，在此温度下滴加2毫升三氟甲磺酸，滴加时间持续20分钟。随后降至25℃，在此温度下反应24小时。反应结束后，加入20毫升蒸馏水淬灭，随后加入2 m的氢氧化钠溶液直至有固体析出，过滤固体，滤饼用50毫升蒸馏水洗涤3次，得到淡黄色固体，即为配体。
19.核磁表征结果：如图2所示，氢谱：1h nmr (400 mhz, dmso):δ7.93 (d, 3 h), 7.78 (d, 3 h), 6.76 (d, 3 h), 6.70 (d, 3 h), 3.86 (s, 9 h), 2.17 (s, 9 h).如图3所示，碳谱：
13
c nmr (100 mhz, dmso):δ168.22, 167.39, 148.09, 131.12, 129.55, 129.25, 129.05, 115.45, 52.78, 18.22.元素分析测试结果：calcd. for c
30h30
n6o6c, 63.15; h, 5.30; n, 14.73; o, 16.82. found: c, 63.21; h, 5.25; n, 14.87; o, 16.63.如图4所示，质谱表征结果：esi（m/z）：[m+h]
＋
calcd. for c
30h30
n6o6, 570.22；found, 571.18.根据以上分析数据可知，获得的配体结构为：。
[0020]
第二步、共价有机框架材料cof-et11的制备：将上述配体（0.25克, 2毫摩尔）、1.4-吡嗪二甲醛（0.42克, 3毫摩尔）分别溶解在10毫升二甲基亚砜中，先向上述配体的二甲基亚砜溶液中加入1.5毫升2-羟基柠檬酸，再在25℃下加入1.4-吡嗪二甲醛的二甲基亚砜溶液，滴加完后氮气置换3次，然后将上述混合液在180℃条件下搅拌72小时。反应结束后，通过离心机分离出白色固体，白色固体依次二甲
基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、乙醇冲洗，各冲洗3次，随后在120℃真空干燥，得到白色粉末，即为共价有机框架材料cof-et11。
[0021]
元素分析测试结果：calcd. for c
234h258n42o36
c, 66.37; h, 6.14; n, 13.89; o, 13.60. found: c, 66.27; h, 6.18; n, 13.96; o, 13.57.如图5所示，质谱表征结果：tof-ms（m/z）：[m+h]
＋
calcd. for c
234h258n42o36
, 4233.97；found, 4234.82.根据以上分析数据可知，获得的共价有机框架材料cof-et11结构为：。
[0022]
对本发明实施例得到的共价有机框架材料cof-et11进行红外表征：测试仪器为iraffinity-1傅里叶变换红外光谱仪，kbr压片，测试结果如说明书附图6所示。
[0023]
由说明书附图6可知，在共价有机框架材料cof-et11的红外图谱中，配体上原有的n-h（3468-3131 cm-1
）伸缩振动消失，1.4-吡嗪二甲醛原有的hc=o（1649 cm-1
）伸缩振动消失，出现了新的键连c=n（1707 cm-1
），证明了醛-胺缩合反应的发生，说明共价有机框架材料cof-et11构建成功。
[0024]
应用例：基于本发明上述实施例得到的共价有机框架材料cof-et11的电极材料的制备方法如下：将共价有机框架材料cof-et11、乙炔黑与聚四氟乙烯按80:15:5的质量比混合后，将上述混合物加入到乙醇溶液（0.25 wt%）中超声分散形成均匀的混合溶液，随后将该混合溶液均匀涂在镍泡沫上，在70℃下干燥过夜。
[0025]
采用传统的三电极体系，以6摩尔每升的氢氧化钠水溶液作为电解质，以上述应用例制备的电极材料为工作电极，以铂丝与饱和的甘汞电极分别作为对电极和参比电极，在电流密度为1.0 a g-1
的条件下进行恒电流充放电测试，测试结果如说明书附图7所示。从图7可以看出，本发明的共价有机框架材料cof-et11表现出良好的对称性，出现了明显的充放电平台，表明其具有良好的电化学性能。
[0026]
说明书附图8显示了共价有机框架材料cof-et11质量比电容值随电流密度增加的衰减情况，可以看出这种cof材料具有良好的倍率性能。随着电流密度的增加，共价有机框材料cof-et11的质量比电容保留量有所下降，值得注意的是，在10 a/g时cof-et11的质量比电容仍可达到2989 f/g，保持率为98%，这体现了该材料具有良好的倍率性能。
[0027]
超级电容器的重要特点就是不但能够快速充放电，且具有较长的使用寿命，因此循环稳定性测试是重要的性能指标。因此，在电流密度为5.0 a/g时，对共价有机框架材料cof-et11的循环稳定性进行测试，测试结果如说明书附图9所示。在10000次循环的充放电测试后，cof-et11仍能保持98%的电容，表明其具有良好的循环稳定性。
[0028]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：
1.一种共价有机框架材料，其特征在于，它具有如下结构单元：，命名为cof-et11。2.根据权利要求1所述的一种共价有机框架材料，其特征在于，制备所述共价有机框架材料的配体具有以下结构：
。3.根据权利要求1所述的一种共价有机框架材料的应用，其特征在于，它用于制备电极材料。4.根据权利要求3所述的一种共价有机框架材料的应用，其特征在于，所述电极材料由所述共价有机框架材料、乙炔黑和聚四氟乙烯制备而成。5.根据权利要求3所述的一种共价有机框架材料的应用，其特征在于，所述电极材料应用于超级电容器中。

技术总结
一种共价有机框架材料及其配体和应用。本发明属于电极材料领域。本发明提供一种共价有机框架材料COF-ET11，其在恒电流充放电测试中，表现出了较高的电化学性能；在10 A/g时共价有机框架材料的质量比电容可达2989 F/g，保持率为98%；且经过10000次循环后，共价有机框架材料COF-ET11仍能保持大约98%的质量比电容，具有良好的循环稳定性，这些优异性能使得共价有机框架材料COF-ET11在超级电容器领域中具有良好的应用前景。中具有良好的应用前景。中具有良好的应用前景。


技术研发人员：赵礼义 李衍初 许名飞
受保护的技术使用者：吉林省卓材新研科技有限公司
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/1