سنتز و مشخصه‌یابی پلیمر آلی متخلخل بر پایه دی‌آمین و تری‌آلدهید جهت ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

چارچوب‌های آلی کووالانسی (COFs) دسته‌ای از پلیمرهای آلی بلوری بوده که به دلیل تخلخل و سطح ویژه بالا و همچنین ساختار ویژه رزونانسی دارای توانمندی بالقوه بالایی در ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی هستند. این مواد به‌وسیله بسپارش و تبلور هم‌زمان دو مونومر واکنش‌دهنده با ساختار جهت‌دار تهیه می‌شوند. هدف از این پژوهش، سنتز یک COF با کارایی مناسب بر اساس واکنش تراکمی بین مونومرهای دی‌آمین و تری‌آلدهید در فاز مایع است. چارچوب آلی سنتز شده، از دیدگاه ساختار و خواص به کمک روش­‌ها‌ی تجزیه عنصری، طیف‌سنجی مادون‌قرمز فوریه (FTIR)، آنالیز BET، پراش اشعه ایکس (XRD)، آنالیز گرماوزن‌سنجی (TGA) و در‌نهایت آزمون‌ الکتروشیمیایی مشخصه‌یابی گردید. طیف‌‌سنجی FTIR، وقوع واکنش تراکمی و تشکیل پیوند کووالانسی ایمینی در اثر بسپارش مونومرها را تائید کرد. الگوهای پراش XRD نشان دادند که ماده سنتز شده دارای ساختار بلوری منظم بوده و شبکه بارز یک چارچوب آلی کووالانسی را دارد. آنالیز BET نشان داد که COF سنتز شده، متخلخل بوده و میانگین قطر حفرات در حدود nm 28 است. به‌علاوه، حجم کل حفرات در هر گرم ماده سنتز شده در حدود cm3 19/0 و سطح ویژه آن بالغ‌بر m2/g 465 است. پایداری گرمایی ماده سنتز شده توسط TGA تا °C 316 مشاهده شد. آزمون‌های الکتروشیمیایی نشان دادند که الکترود ساخته‌شده از COF سنتز شده دارای عملکرد چرخه‌ای خوبی بوده و ظرفیت خازنی ویژه بالایی، معادل F/g 302 در چگالی جریان A/g 1، دارا است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Synthesis and characterization of porous organic polymers based on diamine and trialdehyde for electrochemical energy storage

نویسندگان [English]

  • Mobina Ahmadi 1
  • Ahmad Asadinezhad 2
1 Department of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
2 Department of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Covalent organic frameworks (COFs) are a category of organic polymers with crystalline structure having vast potential for electrochemical energy storage due to great porosity and specific area, as well as strong resonance. The simultaneous polymerization and crystallization of two reactive monomers featuring directional bonding designs provides COFs. The purpose of the current research was to produce high-performance COFs based on condensation reaction between diamine and trialdehyde monomers in liquid state. The synthesized COFs were characterized in terms of structure and properties through Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, BET analysis, X-ray diffraction (XRD), Thermogravimetric analysis (TGA), and electrochemical performance. FTIR confirmed the successful chemical reaction between precursor monomers leading to covalent bond formation. XRD confirmed the formation of crystalline structure having typical lattice of a COF. BET analysis showed that the synthesized COF is porous, whose average pore diameter is around 28 nm, pore volume per gram is 0.19 cm3, and specific area is 465 m2/g. Thermal stability of the synthesized COF was found through TGA to be 316 °C. cyclic voltammetry, galvanostatic charge/discharge, and electrochemical impedance spectroscopy tests revealed that the electrodes made from the synthesized COFs possess satisfactory cycle performance and high-level specific capacitance (302 F/g) at current density of 1 A/g.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Porous Organic Polymers
  • Covalent Organic Frameworks
  • Supercapacitor
  • Energy Storage

مراجع

[1] A. Yu, V. Chabot, J. Zhang, Electrochemical Supercapacitors for Energy Storage and     Delivery: Fundamentals and Applications. First Edition, New York: CRC Press, 2017. https://doi.org/10.1201/b14671
[2] M. Azadfalah, A. Sedghi, H. Hosseini, Synergic effect of flower-like Cu-based metal-organic framework/graphene nanostructures on electrochemical performance of supercapacitors, Iranian Journal of Manufacturing Engineering, Vol. 7, No. 2, pp. 33- 41, 2020. (in Persian)
[3] M. S. Lohse, T. Bein, Covalent Organic Frameworks: Structures, Synthesis, and Applications, Advanced Functional Materials, Vol. 28, No. 33, pp. 1705553-1705624, 2018. https://doi.org/10.1002/adfm.201705553
[4] X. Zou, H. Ren, G. Zhu, Topology-directed design of porous organic frameworks and their advanced applications, Chemical Communications, Vol. 49, No. 38, pp. 3925-3936, 2013. https://doi.org/10.1039/C3CC00039G
[5] J. Sakamoto, J. van Heijst, O. Lukin, D. Schluter, Two-Dimensional Polymers: Just a Dream of Synthetic Chemists, Angewandte Chemie International Edition, Vol. 48, No. 6, pp. 1030-1069, 2009. https://doi.org/10.1002/anie.200801863
[6] H. R. Abuzeid, A. F. El-Mahdy, S. W. Kuo, Covalent organic frameworks: Design principles, synthetic strategies, and diverse applications, Giant, Vol. 6, pp.100054-100081, 2021. https://doi.org/10.1016/j.giant.2021.100054
[7] K. Geng, T. He, R. Liu, S. Dalapati, K. T. Tan, Z. Li, S. Tao, Y. Gong, Q. Jiang, D. Jiang, Covalent Organic Frameworks: Design, Synthesis, and Functions, Chemical Reviews, Vol. 120, No. 16, pp.8814-8933, 2020. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00550
[8] Y. Song, Q. Sun, B. Aguila, S. Ma, Opportunities of Covalent Organic Frameworks for Advanced Applications, Advanced Science, Vol. 6, No. 2, pp.1801410, 2019. https://doi.org/10.1002/advs.201801410
[9] B. T. Koo, Covalent Organic Frameworks: Structure, Filling, Nucleation, First Edition, New York: Cornell University, 2015.
[10] Y. Wu, D. Yan, Z. Zhang, M. M. Matsushita, K. Awaga, Electron Highways into Nanochannels of Covalent Organic Frameworks for High Electrical Conductivity and Energy Storage, ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 11, No. 8, pp.7661-7665, 2019. https://doi.org/10.1021/acsami.8b21696
[11] S. Chandra, T. Kundu, S. Kandambeth, R. Babarao, Y. Marathe, S. M. Kunjir, R. Banerjee, Phosphoric Acid Loaded Azo (−N═N−) Based Covalent Organic Framework for Proton Conduction, Journal of the American Chemical Society, Vol. 136, No. 18, pp. 6570-6573, 2014. https://doi.org/10.1021/ja502212v
[12] Y. Han, L. M. Zhang, Y. C. Zhao, T. Wang, B. H. Han, Microporous Organic Polymers with Ketal Linkages: Synthesis, Characterization, and Gas Sorption Properties, ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 5, No. 10, pp. 4166-4172, 2013. https://doi.org/10.1021/am400251h
[13] D. L. Pavia, G. M. Lampman, G. S. Kriz, J. A. Vyvyan, Introduction to Spectroscopy. First Edition, Stanford: Cengage Learning, 2014. ISBN9781305177826, 1305177827
[14] H. Lyu, H. Li, N. Hanikel, K. Wang, O. M. Yaghi, Covalent Organic Frameworks for Carbon Dioxide Capture from Air, Journal of American Chemical Society, Vol. 144, No. 28, pp. 12989–12995, 2022. https://doi.org/10.1021/jacs.2c05382
[15] K. Dey, M. Pal, K. C. Rout, S. Kunjattu, R. Mukherjee, U. K. Kharul, R. Banerjee, Selective Molecular Separation by Interfacially Crystallized Covalent Organic Framework Thin Films, Journal of the American Chemical Society, Vol. 139, No. 37, pp. 13083-13091, 2017. https://doi.org/10.1021/jacs.7b06640
[16] Y. Li, M. Zhang, X. Guo, R. Wen, X. Li, X. Li, S. Li, L. Ma, Growth of high-quality covalent organic framework nanosheets at the interface of two miscible organic solvents, Nanoscale Horizons, Vol. 3, No. 2, pp. 205-212, 2018. https://doi.org/10.1039/C7NH00172J
[17] Y. Peng, W. K. Wong, Z. Hu, Y. Cheng, D. Yuan, S. A. Khan, D. Zhao, Room Temperature Batch and Continuous Flow Synthesis of Water-Stable Covalent Organic Frameworks (COFs), Chemistry of Materials, Vol. 28, No. 14, pp. 5095-5101, 2016. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b01954
[18] A. M. Evans, M. R. Ryder, W. Ji, M. J. Strauss, A. R. Corcos, E. Vitaku, N. C. Flanders, R. P. Bisbey, W. R. Dichtel, Trends in the thermal stability of two-dimensional covalent organic frameworks, Faraday Discussions, Vol. 225, pp. 226-240, 2021. https://doi.org/10.1039/D0FD00054J
[19] A. M. Evans, M. R. Ryder, N. C. Flanders, E. Vitaku, L. X. Chen, W. R. Dichtel, Buckling of Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks under Thermal Stress, Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 58, No. 23, pp. 9883-9887, 2019. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b01288
[20] Y. Yue, P. Cai, K. Xu, H. Li, H. Chen, H. C. Zhou, N. Huang, Stable Bimetallic Polyphthalocyanine Covalent Organic Frameworks as Superior Electrocatalysts, Journal of American Chemical Society, Vol. 143, No. 43, pp. 18052–18060, 2021. https://doi.org/10.1021/jacs.1c06238
[21] B. A. Mei, L. Pilon, Interpretation of Nyquist Plot for Characterization of Electrode and Electrolyte Material Properties for Electrical Double Layer Capacitors, ECS Meeting Abstracts, Vol. MA2017-01, No. 31, pp. 1468, 2017. https://doi.org/10.1149/MA2017-01/31/1468

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار