[发明专利]六氮杂萘衍生物及其制备方法和应用

说明书

本发明属于水系锌离子电池电极材料的合成领域,具体涉及六氮杂萘衍生物及其制备方法和应用，六氮杂萘衍生物的合成步骤如下：在惰性气体保护下向反应器中加入3,4‑二氨基‑1,6‑苯基衍生物和环己六酮八水合物，溶于有机溶剂，使反应混合物在回流状态进行不断搅拌，反应结束后，停止加热，加入乙酸、去离子水、乙醇洗涤，抽滤，合成得六氮杂萘衍生物，其制备方法工艺简单，成本低，能耗低，重现性好，性能优异。合成的六氮杂萘衍生物材料不仅能解决有机材料萘醌衍生物溶解到电解质中的问题，还有望获得导电性较高的性能以保障电化学反应过程中电子的快速传递,在水系锌离子电池电极材料领域具备广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池电极材料的合成领域，特别涉及六氮杂萘衍生物合成和应用。

背景技术

随着时代的进步，旧电池体系逐渐被新体系所取代。因此，设计绿色环保且高性能的电能储存器件应用于未来的电子产品便是一个必然的趋势。当今的电子设备的发展方向为轻量化，便携式，长续航。同时还能够在不同设备上满足应用，电池就需要具备普适性和安全性。这对水系电池的发展无疑摆出了一道严峻的问题。就目前来看，已经商业化的电池暂时还不能解决这个问题。并且商业化电池中存在较多对环境污染的元素。此外，可穿戴电子设备的不断发展促使开发相适应的电源，然而，在接触人体的可穿戴电子设备中使用那些有毒的电池是不行的。

自从1994年Dahn首次报道水系离子电池以来，水系电池开始受到人们的关注。水系电解液一方面满足安全性的需求，另一个是水系电解质的离子电导率比有机电解液高两个数量级。水系电解液的反应原理和锂离子电池是类似的，基于锂，钠，钾等金属离子在正负极中的脱嵌完成电化学氧化还原过程。近几年的报道中，直接将锂离子电池体系嫁接到水系电解质来组装水系电池，但普遍容量表现偏低(小于150mAh g-1)。水系锌离子电池(简称锌电池)是一种新型的电化学储能器件，具有制备容易，环境友好，成本低，安全性能高，容量高等优点，是一种极具前景的电化学储能装置。基于以上优点，清洁无毒水系锌电池的开发成为电化学储能领域研究的热点。目前，锌电池的研究主要集中在开发可以可逆嵌入与脱出锌离子的正极材料。如MnO₂，V₂O₅和六氰基合铁酸盐等。但是上述无机正极材料体系还是有一定的毒性和污染环境的元素存在。为了环境保护和可持续发展，开发更加环保无毒或低毒的有机正极材料是一个重要课题。由于其丰富的资源，较低的成本，可调的性质，灵活且易于处理，有机电极材料被认为是取代传统无机材料最有力的候选者。但到目前为止，很少有水系锌电池有机正极材料的报道。2018年，Chen Jun等首次开发了醌(C4Q)作为正极材料的水系锌电池，该锌电池能量密度(～80Wh Kg^-1)超过了铅酸电池的能量密度(～40Wh Kg^-1)，但为了抑制放电产物的溶解，需要用到价格较高的含氟膜(Nafion film)(Sci.Adv.2018；4:eaao1761)。最近，Wang Yonggang等人报道了芘-4,5,9,10-四酮(PTO)作为正极材料的水系锌电池和柔性水系锌电池，柔性水系锌电池优良的电化学性能和机械耐久性能显示了该锌电池在可穿戴电子设备的潜在应用价值，遗憾的是制备芘-4,5,9,10-四酮过程中要使用到价格昂贵的贵金属催化剂(Angew.Chem.Int.Ed.2018,57,11737–11741)。因此，如何获得环境友好且价格合适的用于水系锌电池的有机正极材料是一项富有挑战性的任务。

发明内容

为了克服上述现有技术中的问题，本发明提供一类六氮杂萘衍生物，及其简单易行的制备方法。该方法利用易得的原料，高产率合成了系列六氮杂萘衍生物材料。该方法工艺简单，成本较低，能耗低，重现性好。该类材料在水系锌离子电池电极材料领域，具备广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一类六氮杂萘衍生物，其结构式为：

其中，所述的X为-F、-Cl、-CN、-NO₂或-COOH中的一种，Y为-H或-F中的一种。