CN109762174B - 一种含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法 - Google Patents
一种含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含超支化结构的偶氮苯‑石墨烯储能材料的制备方法。首先,在石墨烯表面硅烷偶联引入伯胺基团,再将其通过迈克尔加成反应先后与聚二季戊四醇四丙烯酸酯和三(2‑氨基乙基)胺以树枝状生长的方式层层接枝,重复该迈克尔加成反应得到表面含大量伯胺基团的树枝状超支化石墨烯杂化物,最后通过与偶氮苯共价接枝得到最终产物。本发明的新颖性在于:首次将超支化结构引入到偶氮苯‑石墨烯储能体系,该储能材料的存储性能随超支化结构的树枝状生长逐渐提高。含三层超支化结构储能材料的存储能量密度高达104W h kg‑1,比偶氮苯分子(32W h kg‑1)的储能密度高3倍多,同时该储能材料具备良好的循环稳定性,有望应用于太阳能储热。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料领域,提供了一种含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法。
背景技术
随着世界经济的快速发展,化石能源日益短缺,亟需开发新能源来满足日益增长的全球能源需求。太阳能热存储材料是一种封闭可逆的循环系统,同时有太阳能无污染、可再生、源源不绝的特点,存在很重要的研究价值和应用前景。分子级光储热材料如协同转换型降冰片二烯、富瓦烯金属化合物和顺反异构型偶氮苯,可以有效实现太阳能存储转化而被广泛关注。其中由于协同转换型分子合成困难和有机金属化合物价格昂贵,极大的限制了其实际应用。偶氮苯分子由于具有可逆的光致异构化,易于合成等优点被认为是最具有潜力的光储热分子。在紫外光照射下,处于反式构型的偶氮苯会转变为顺式构型,之后在可见光或热的条件下,顺式构型回复到反式构型。两种构型之间存在能量的差异,由反式过渡到顺式能够储存能量,反之能够释放热量。但是较低的能量密度和较短的半衰期限制了偶氮苯分子在光储热方面的应用。本发明设计了一种新型含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料,通过树枝状生长的超支化结构来提升储能材料的存储性能。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,该储能材料随超支化结构的层层增长,其存储性能得到有效提升。
本发明采用以下技术方案:
本发明的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,其步骤如下:
步骤一:超支化石墨烯杂化物的制备:将石墨烯超声分散在无水乙醇和去离子水的混合溶液中,逐滴加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷,然后在60-80℃的油浴锅中搅拌反应,冷凝回流8-10h。产物分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤多次以除去未反应的偶联剂,在40-60℃下真空干燥12-24h得到产物。将该产物与聚二季戊四醇四丙烯酸酯的乙醇溶液在室温下通过迈克尔加成反应搅拌3-5h,经过无水乙醇多次洗涤除去未反应的聚二季戊四醇四丙烯酸酯,真空干燥后得到含碳碳双键的超支化石墨烯杂化物。最后将此石墨烯杂化物分散在多元胺如三(2-氨基乙基)胺的无水乙醇中,室温搅拌反应3-5h,过量的多元胺经无水乙醇抽滤洗涤多次后除去,得到表面含伯胺的超支化石墨烯杂化物。重复上述迈克尔加成反应进行层层组装得到表面含大量伯胺的不同超支化层数的石墨烯杂化物。
步骤二:丙烯酰胺偶氮苯的制备:将苯胺、浓盐酸加入到烧瓶中搅拌溶解。在0℃下,缓慢滴加NaNO2的冷水溶液,温度始终控制在0-5℃至沉淀物溶解,过滤得到重氮盐溶液,冷却备用。将上述重氮盐溶液缓慢滴加到苯胺水溶液中,同时不断用饱和NaCO3溶液调节PH始终维持在5-6,过滤得到中间产物。将中间产物溶于乙醇,加入苯胺盐酸盐,搅拌加热至30-35℃,反应3-5h。将反应产物滴入冰水中沉淀3-5次,抽滤,产物真空干燥后用乙醇重结晶得到4-氨基偶氮苯。将4-氨基偶氮苯和三乙胺溶解在无水四氢呋喃中,在0℃下搅拌10-30min,然后逐滴缓慢加入丙烯酰氯与无水四氢呋喃的混合溶液,滴加完毕后,保持反应在0-5℃下搅拌反应6-8h。产物过滤除去三乙胺盐,将滤液在大量冷水中沉淀3-5次以除去过量的丙烯酰氯和三乙胺,最终产物在40-60℃真空干燥得到丙烯酰胺偶氮苯。
步骤三:含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备:将丙烯酰胺偶氮苯与表面含伯胺的石墨烯杂化物在50-60℃的无水乙醇溶液中搅拌反应3-5h,产物用无水乙醇,N,N-二甲基甲酰胺和丙酮抽滤洗涤多次以除去未反应的丙烯酰胺偶氮苯,直到滤液经过紫外分光光度计检测不到偶氮苯特征吸收峰为止。最后将产物在40-60℃下真空干燥24h,得到含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料。
进一步地,所述步骤一中硅烷偶联反应中石墨烯与3-氨基丙基三乙氧基硅烷的质量体积比为10:1~2:1mg/mL;硅烷偶联反应中无水乙醇、去离子水、3-氨基丙基三乙氧基硅烷的体积比为5:1:1~5:1:2;所述迈克尔成反应中聚二季戊四醇四丙烯酸酯与无水乙醇的体积比为1:5~2:5;迈克尔加成反应中三(2-氨基乙基)胺与无水乙醇的体积比为1:5~3:5;所述三(2-氨基乙基)胺可为多元胺中的聚醚酰亚胺所替代。
进一步地,所述步骤二中苯胺、浓盐酸、亚硝酸钠的摩尔比为1:2:1~1:3:1;苯胺水溶液的浓度为2-10mol/L;苯胺盐酸盐与苯胺的摩尔比为1:2~1:5;丙烯酰胺偶氮苯、三(2-氨基乙基)胺、丙烯酰氯的摩尔比为1:1.2:1.5~1:2:2。
进一步地,所述步骤三中表面含伯胺基团的不同超支化层数的石墨烯杂化物与改性偶氮苯的质量比为1:5~1:30;
进一步地,所述得到的石墨烯杂化物中伯胺基团的含量随超支化生长而逐渐增加;所述得到的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料中偶氮苯的含量随超支化的层层增长上而逐渐增加。
综上所述,本发明的有益效果是:
1.所述得到偶氮苯-石墨烯储能材料引入树枝状超支化结构,且存储能量密度、存储半衰期均随超支化结构的增长而逐渐增加。
2.所述得到的储能材料具有高储能密度,长半衰期和循环稳定等优异性能。
附图说明
图1为本发明中含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备流程图。
图2为步骤二得到的丙烯酰胺偶氮苯的核磁氢谱图(氘代DMSO)。
图3为实例1-3得到的含超支化结构储能材料的红外光谱图。
图4为实例1-3得到的含超支化结构储能材料的热重分析图。
图5为实例1-3得到的含超支化结构储能材料的紫外-可见吸收光谱图。
图6为实例3得到的含三层超支化储能材料的循环稳定性测试图。
图7为实例3得到的丙烯酰胺偶氮苯和含三层超支化储能材料的DSC曲线。
a)为丙烯酰胺偶氮苯的DSC曲线。
b)为含三层超支化储能材料的DSC曲线。
具体实施方式
下面是对本发明的进一步说明,而不是限制本发明的范围
实施例1
1)50mg石墨烯超声分散在50ml无水乙醇和10ml去离子水的混合溶液中,逐滴加入10ml3-氨基丙基三乙氧基硅烷,然后在60℃的油浴锅中搅拌反应,冷凝回流8h。最后,产物中未反应的偶联剂分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤4次,40℃下真空干燥12h得到干燥产物。将该产物40mg在分散在50ml乙醇溶液中,加入10ml聚二季戊四醇四丙烯酸酯,在室温下通过迈克尔加成反应搅拌3h,无水乙醇抽滤洗涤4次除去未反应的聚二季戊四醇四丙烯酸酯,真空干燥后得到含碳碳双键的超支化石墨烯杂化物。最后此石墨烯杂化物50mg分散在50ml无水乙醇中,然后加入10ml三(2-氨基乙基)胺,室温搅拌反应3h,过量的三乙胺经无水乙醇抽滤洗涤4次后除去,得到表面含伯胺的超支化石墨烯杂化物。重复上述迈克尔加成反应多次得到表面含大量伯胺的不同超支化层数的石墨烯杂化物。
2)将苯胺(4.65g,0.05mol)、浓盐酸(2.92ml,0.10mol)加入到100ml的烧瓶中均匀搅拌10min。在0℃下,缓慢滴加NaNO2(3.65g,0.05mol)的冷水溶液,温度始终控制在0-5℃至沉淀物溶解,过滤得到重氮盐溶液,冷却备用。将上述重氮盐溶液缓慢滴加到苯胺(4.8g,0.05mol)水溶液中,同时不断用饱和NaCO3溶液调节PH始终维持在5-6,过滤得到中间产物。将中间产物溶于乙醇,加入5g苯胺盐酸盐,搅拌加热至30℃,反应3h。将反应产物滴入冰水中沉淀3次,抽滤,产物真空干燥后用乙醇重结晶得到4-氨基偶氮苯。将4-氨基偶氮苯(3g,0.015mol)和三乙胺(2.8ml,0.02mol)溶解在30ml无水四氢呋喃中,在0℃下搅拌30min,然后逐滴缓慢加入丙烯酰氯(1.8ml,0.02mol)与5ml无水四氢呋喃的混合溶液,滴加完毕后,保持反应在0-5℃下搅拌反应6h。产物过滤除去三乙胺盐,将滤液在大量冷水中沉淀3次以除去过量的丙烯酰氯和三乙胺,最终产物在40℃真空干燥得到丙烯酰胺偶氮苯。
3)将150mg丙烯酰胺偶氮苯和10mg表面含伯胺的不同超支化层数的石墨烯杂化物分别分散在60ml的无水乙醇溶液中,40℃下,搅拌反应5h,产物用无水乙醇,N,N-二甲基甲酰胺和丙酮抽滤洗涤5次以除去未反应的丙烯酰胺偶氮苯,直到滤液经过紫外分光光度计检测不到偶氮苯特征吸收峰为止。最后将产物在60℃下真空干燥24h,得到含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料。
实施例2
1)50mg石墨烯超声分散在50ml无水乙醇和10ml去离子水的混合溶液中,逐滴加入15ml3-氨基丙基三乙氧基硅烷,然后在60℃的油浴锅中搅拌反应,冷凝回流10h。最后,产物中未反应的偶联剂分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤4次,50℃下真空干燥12h得到干燥产物。将该产物40mg在分散在50ml乙醇溶液中,加入15ml聚二季戊四醇四丙烯酸酯,在室温下通过迈克尔加成反应搅拌3h,无水乙醇抽滤洗涤4次除去未反应的聚二季戊四醇四丙烯酸酯,真空干燥后得到含碳碳双键的超支化石墨烯杂化物。最后此石墨烯杂化物50mg分散在50ml无水乙醇中,然后加入15ml三(2-氨基乙基)胺,室温搅拌反应4h,过量的三乙胺经无水乙醇抽滤洗涤4次后除去,得到表面含伯胺的超支化石墨烯杂化物。重复上述迈克尔加成反应多次得到表面含大量伯胺的不同超支化层数的石墨烯杂化物。
2)将苯胺(4.65g,0.05mol)、浓盐酸(3.65ml,0.125mol)加入到100ml的烧瓶中均匀搅拌15min。在0℃下,缓慢滴加NaNO2(3.65g,0.05mol)的冷水溶液,温度始终控制在0-5℃至沉淀物溶解,过滤得到重氮盐溶液,冷却备用。将上述重氮盐溶液缓慢滴加到苯胺(5g,0.05mol)水溶液中,同时不断用饱和NaCO3溶液调节PH始终维持在5-6,过滤得到中间产物。将中间产物溶于乙醇,加入5.5g苯胺盐酸盐,搅拌加热至32℃,反应4h。将反应产物滴入冰水中沉淀4次,抽滤,产物真空干燥后用乙醇重结晶得到4-氨基偶氮苯。将4-氨基偶氮苯(3g,0.015mol)和三乙胺(4.2ml,0.03mol)溶解在30ml无水四氢呋喃中,在0℃下搅拌30min,然后逐滴缓慢加入丙烯酰氯(2.7ml,0.03mol)与5ml无水四氢呋喃的混合溶液,滴加完毕后,保持反应在0-5℃下搅拌反应6h。产物过滤除去三乙胺盐,将滤液在大量冷水中沉淀4次以除去过量的丙烯酰氯和三乙胺,最终产物在40℃真空干燥得到丙烯酰胺偶氮苯。
3)将180mg丙烯酰胺偶氮苯和10mg表面含伯胺的不同超支化层数的石墨烯杂化物分别分散在60ml的无水乙醇溶液中,50℃下,搅拌反应5h,产物用无水乙醇,N,N-二甲基甲酰胺和丙酮抽滤洗涤5次以除去未反应的丙烯酰胺偶氮苯,直到滤液经过紫外分光光度计检测不到偶氮苯特征吸收峰为止。最后将产物在60℃下真空干燥24h,得到含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料。
实施例3
1)50mg石墨烯超声分散在50ml无水乙醇和10ml去离子水的混合溶液中,逐滴加入20ml3-氨基丙基三乙氧基硅烷,然后在60℃的油浴锅中搅拌反应,冷凝回流12h。最后,产物中未反应的偶联剂分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤6次,50℃下真空干燥24h得到干燥产物。将该产物40mg在分散在50ml乙醇溶液中,加入20ml聚二季戊四醇四丙烯酸酯,在室温下通过迈克尔加成反应搅拌5h,无水乙醇抽滤洗涤6次除去未反应的聚二季戊四醇四丙烯酸酯,真空干燥后得到含碳碳双键的超支化石墨烯杂化物。最后此石墨烯杂化物50mg分散在50ml无水乙醇中,然后加入20ml三(2-氨基乙基)胺,室温搅拌反应3h,过量的三乙胺经无水乙醇抽滤洗涤6次后除去,得到表面含伯胺的超支化石墨烯杂化物。重复上述迈克尔加成反应多次得到表面含大量伯胺的不同超支化层数的石墨烯杂化物。
2)将苯胺(4.65g,0.05mol)、浓盐酸(3.65ml,0.125mol)加入到100ml的烧瓶中均匀搅拌30min。在0℃下,缓慢滴加NaNO2(3.65g,0.05mol)的冷水溶液,温度始终控制在0-5℃至沉淀物溶解,过滤得到重氮盐溶液,冷却备用。将上述重氮盐溶液缓慢滴加到苯胺(4.8g,0.05mol)水溶液中,同时不断用饱和NaCO3溶液调节PH始终维持在5-6,过滤得到中间产物。将中间产物溶于乙醇,加入6g苯胺盐酸盐,搅拌加热至30℃,反应5h。将反应产物滴入冰水中沉淀4次,抽滤,产物真空干燥后用乙醇重结晶得到4-氨基偶氮苯。将4-氨基偶氮苯(3g,0.015mol)和三乙胺(6.3ml,0.045mol)溶解在30ml无水四氢呋喃中,在0℃下搅拌30min,然后逐滴缓慢加入丙烯酰氯(4.05ml,0.045mol)与5ml无水四氢呋喃的混合溶液,滴加完毕后,保持反应在0-5℃下搅拌反应8h。产物过滤除去三乙胺盐,将滤液在大量冷水中沉淀4次以除去过量的丙烯酰氯和三乙胺,最终产物在50℃真空干燥得到丙烯酰胺偶氮苯。
3)将200mg丙烯酰胺偶氮苯和10mg表面含伯胺的不同超支化层数的石墨烯杂化物分别分散在60ml的无水乙醇溶液中,60℃下,搅拌反应5h,产物用无水乙醇,N,N-二甲基甲酰胺和丙酮抽滤洗涤5次以除去未反应的丙烯酰胺偶氮苯,直到滤液经过紫外分光光度计检测不到偶氮苯特征吸收峰为止。最后将产物在60℃下真空干燥24h,得到含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料。
综上所述,本发明提供了一种含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,其存储性能随超支化层层生长逐渐提高,同时具有优异的循环稳定性。
本发明步骤二中得到的丙烯酰胺偶氮苯通过核磁氢谱(图2)得到证明。
本发明中含超支化结构的储能材料的化学结构通过红外光谱(图3)得到证明。
本发明中含超支化结构的储能材料的热重曲线如图4所示。
本发明中含超支化结构的储能材料的紫外可见吸收光谱如图5所示,石墨烯和偶氮苯的特征吸收峰分别位于274nm和360nm。
本发明得到的丙烯酰胺偶氮苯和含超支化结构储能材料的存储能量密度通过DSC曲线获得。如图7所示,丙烯酰胺偶氮苯的能量密度为32W h kg-1,含三层超支化结构的储能材料的能量密度可达104W h kg-1,是丙烯酰胺偶氮苯的3倍多。
Claims (5)
1.一种含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,其特征在于,制备步骤如下:
步骤一:超支化石墨烯杂化物的制备:将石墨烯超声分散在无水乙醇和去离子水的混合溶液中,逐滴加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷,然后在60-80℃的油浴锅中搅拌反应,冷凝回流8-12h, 此为硅烷偶联反应;产物分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤多次以除去未反应的偶联剂,在40-60℃下真空干燥12-24h得到产物;然后进行迈克尔加成反应,将该产物与聚二季戊四醇四丙烯酸酯的乙醇溶液在室温下搅拌3-5h,经过无水乙醇多次洗涤除去未反应的聚二季戊四醇四丙烯酸酯,真空干燥后得到含碳碳双键的超支化石墨烯杂化物;最后将此石墨烯杂化物分散在三(2-氨基乙基)胺的无水乙醇中,室温搅拌反应3-5h,过量的三(2-氨基乙基)胺经无水乙醇抽滤洗涤多次后除去,得到表面含伯胺基团的超支化石墨烯杂化物;重复上述迈克尔加成反应进行层层组装得到表面含大量伯胺基团的不同超支化层数的石墨烯杂化物;
步骤二:丙烯酰胺偶氮苯的制备:将苯胺、浓盐酸加入到烧瓶中搅拌溶解;在0℃下,缓慢滴加NaNO2的冷水溶液,温度始终控制在0-5℃至沉淀物溶解,过滤得到重氮盐溶液,冷却备用;将上述重氮盐溶液缓慢滴加到苯胺水溶液中,同时不断用饱和Na2CO3溶液调节pH始终维持在5-6,过滤得到中间产物;将中间产物溶于乙醇,加入苯胺盐酸盐,搅拌加热至30-35℃,反应3-5h;将反应产物滴入冰水中沉淀3-5次,抽滤,产物真空干燥后用乙醇重结晶得到4-氨基偶氮苯;将4-氨基偶氮苯和三乙胺溶解在无水四氢呋喃中,在0℃下搅拌10-30min,然后逐滴缓慢加入丙烯酰氯与无水四氢呋喃的混合溶液,滴加完毕后,保持反应在0-5℃下搅拌反应6-8h;产物过滤除去三乙胺盐,将滤液在大量冷水中沉淀3-5次以除去过量的丙烯酰氯和三乙胺,最终产物在40-60℃真空干燥得到丙烯酰胺偶氮苯;
步骤三:含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备:将丙烯酰胺偶氮苯与表面含伯胺基团的石墨烯杂化物在50-60℃的无水乙醇溶液中搅拌反应3-5h,产物用无水乙醇,N,N-二甲基甲酰胺和丙酮抽滤洗涤多次以除去未反应的丙烯酰胺偶氮苯,直到滤液经过紫外分光光度计检测不到偶氮苯特征吸收峰为止;最后将产物在40-60℃下真空干燥12-24h,得到含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料。
2.根据权利要求1所述的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,其特征在于:所述步骤一中硅烷偶联反应中石墨烯与3-氨基丙基三乙氧基硅烷的质量体积比为10:1~2:1mg/mL;硅烷偶联反应中无水乙醇、去离子水、3-氨基丙基三乙氧基硅烷的体积比为5:1:1~5:1:2;所述迈克尔加成反应中聚二季戊四醇四丙烯酸酯与乙醇的体积比为1:5~2:5;迈克尔加成反应中三(2-氨基乙基)胺与无水乙醇的体积比为1:5~3:5;所述三(2-氨基乙基)胺能为多元胺中的聚醚酰亚胺所替代。
3.根据权利要求1所述的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,其特征在于:所述步骤三中表面含伯胺基团的石墨烯杂化物与丙烯酰胺偶氮苯的质量比为1:5~1:30。
4.根据权利要求1所述的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,其特征在于:所述得到的表面含伯胺基团的超支化石墨烯杂化物中伯胺基团的含量随超支化层层增长而逐渐增加;所述得到的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料中偶氮苯的接枝量随超支化层层增长而逐渐增加。
5.根据权利要求1所述的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的制备方法,其特征在于:所述得到的含超支化结构的偶氮苯-石墨烯储能材料的紫外可见吸收光谱中有石墨烯和偶氮苯的特征吸收峰,储能材料的存储能量密度、存储半衰期均随超支化结构的层层生长逐渐增加。
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