[发明专利]一种聚苯四甲酰基对苯二胺/碳布材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种聚苯四甲酰基对苯二胺/碳布材料及其制备方法与应用。该聚苯四甲酰基对苯二胺/碳布材料为碳布纤维上均匀包覆聚苯四甲酰基对苯二胺纳米片。其通过两步法得到，具体是：第一步用酸前处理碳布，即极性基团功能化碳布纤维表面；第二步采用溶液聚合法和高温反应在碳布纤维表面包覆生长聚苯四甲酰基对苯二胺纳米片。本发明的材料借助纳米片和碳布纤维的多孔结构以及聚苯四甲酰基对苯二胺的抑制析氢反应特性，有效提高了电催化氨合成的选择性，明显提高了其氨产率和法拉第效率，为目前解决电催化氨合成的效率问题提供了很好的方法。该材料具有原材料价格低廉、结构稳定、高效等特征且其制备方法具有低能耗、方法简单、易操作等优点。

技术领域

本发明涉及电化学氨合成利用领域，更具体地，涉及一种聚苯四甲酰基对苯二胺/碳布材料及其制备方法与应用。

背景技术

氨作为新兴的氢能源载体，具有清洁、高效、可储存运输等诸多优点，将会是未来最理想的无污染的绿色能源之一。在液氨中，氢的质量分数已被证明为17％，远高于在甲醇中12.5％，因此氨的开发利用对缓解石化能源日益枯竭所带来的能源危机具有十分重要的意义。考虑到氨气已难于满足化工领域的强烈需求，开发更加廉价可行的合成氨方法受到各国的高度关注。然而传统的氨合成方法是以氢气和氮气为原料，在100-200个大气压、500-600℃条件下，负载型Fe催化得到氨气，需要消耗巨大的常规能源，导致生产成本太高，大大限制了其推广应用。近年来，不少研究人员发挥想象力，从不同的角度来对这个受诟病的催化体系进行研究，期望发展新的催化体系来降低合成氨的能耗。其中，特别是生物固氮机理(N₂+6H⁺+nMg-ATP+6e^-(酶)→2NH₃+nMg-ADP+nPi)的研究揭示了电化学制氨的可能性。电化学制氨是以水和氮气为原料的电催化技术，它的工艺环保，不会给环境带来污染，其合成系统结构简单、投资少，既可小规模应用，又可大规模开发，是氨合成领域最具有前景的技术之一。然而，电化学制氨技术尚处于初步研究阶段，研究体系大多采用昂贵的催化剂材料，而且占优势的析氢竞争反应致使其仅获得非常低的产氨电流效率(低于1％)。

聚苯四甲酰基对苯二胺是聚酰亚胺类聚合物中的一种，是重要的化工塑料之一。过去，由于其具有良好的机械韧性和热稳定性，被常用作结构骨架材料。然而，其固有绝缘属性，使其在电化学材料应用领域鲜有被研究者提及。最近的研究表明，它的绝缘特性可以通过引入导电碳基得到改善，而且其作为电极材料还以表现出可逆的氧化还原行为。在电化学过程中，聚苯四甲酰基对苯二胺高分子具有的毗邻芳香环和羰基结构，可发生可逆的烯醇化共轭结构变化。值得注意的是，在负电位下，聚苯四甲酰基乙二胺发生还原反应，可以有效地抑制氢析出反应进行。众所周知，电化学合成氨技术所面临的关键问题是占优势的析氢竞争反应导致电合成氨的法拉第效率低下。在这里，聚苯四甲酰基对苯二胺材料所具备的抑制氢析出反应特性将可作为一个有利条件来提升其电化学氨合成的效率。因此，经设计合成的多孔聚苯四甲酰基对苯二胺纳米片结合其抑制析氢反应的特性，有望有效地提高电催化氨合成的选择性，从而提高其氨产率和法拉第效率，为解决目前电催化氨合成效率低的问题提供可供参考的方法。此外，该催化材料具有价格低廉、结构稳定、高效等特征，而且该制备方法具有低能耗、方法简单、易操作等优点，可望大批量生产。本发明所设计材料和方法为高选择性的电化学氨合成的实现打下了坚实的理论和实践基础。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种聚苯四甲酰基对苯二胺/碳布材料。

本发明的目的之二在于提供一种聚苯四甲酰基对苯二胺/碳布材料的制备方法。为了克服现有技术中制备电化学氨合成材料仅仅局限于制备粉末样品的问题，提供一种多孔高分子材料直接生长于导电载体的简易方法，使电极和活性材料一体化，避免了额外的电极制备程序。

本发明的目的之三在于提供一种聚苯四甲酰基对苯二胺/碳布材料的定向功能化应用，即在电催化氨合成上的应用。

本发明的目的通过如下技术方案实现。