پلیمر میکرو متخلخل مزدوج

پلیمرهای میکرومتخلخل مزدوج فوق پایدار حاوی بلوک های بنزوبیستیادیازول و پیرن برای ذخیره سازی انرژی

در سال های اخیر، پلیمرهای میکرومتخلخل مزدوج (CMP) در مقایسه با مواد الکترود معدنی به دلیل سهولت در پردازش، ذخیره سازی آسان، ساختارهای مزدوج π، پایداری حرارتی و شیمیایی نسبتا زیاد، فراوانی در طبیعت و خواص سطحی بالا به پیش سازهای مهمی در کاربردهای زیست محیطی و انرژی تبدیل شده اند. بنابراین، در این مطالعه CMP های جدید (BBT-CMPs) مرتبط با بنزوبیستیادیازول (BBT) را با استفاده از واکنش ساده جفت شدن سونوگاشیرا با واکنش 4،8-دیبروموبنزو بیستیادیازول (BBT-Br₂) با مشتقات اتینیل تری فنیل آمین (TPA-T)، پیرن (Py-T) و تترافنیل اتن (TPE-T) در TPA-BBT-CMP، Py-BBT-CMP و TPE-BBT-CMP طراحی کردیم. خواص و ساختار شیمی BBT-CMP ها مانند خواص سطحی، اندازه منافذ، مورفولوژی سطح و پایداری حرارتی با استفاده از اندازه‌ گیری‌ های مختلف در اینجا به تفصیل مورد بحث قرار گرفت. از بین CMP های بررسی شده، ما نشان دادیم که TPE-BBT-CMP دمای تجزیه بالا تا 340 درجه را با عملکرد چار بالا، تجمع بر اساس تحلیل ترموگرویمتری (TGA) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) را نشان می دهد. علاوه براین، Py-BBT-CMP به عنوان الکترود آلی دارای ظرفیت فوق العاده و پایداری خازنی برتر تا 93.2 درصد (بیش از 200 سیکل) است. با توجه به نتایج تئوری به دست آمده، نقش مهم CMP ها به دلیل ساختار الکترونیکی که دارند، افزایش ذخیره‌ سازی شارژ است. همچنین هر سه پلیمر CMP از امتزاج بالایی برخوردار هستند که به بهبود هدایت الکترون و شکاف های باند کوچک منجر می شود.

کاهش منابع طبیعی انرژی محققان را وادار کرده است تا به دنبال منابعی برای جایگزین کردن آنها باشند که انرژی و توان بالا، چرخه حیات طولانی و برگشت پذیری عالی را فراهم کنند. امروزه، ذخیره سازی انرژی چیز جدیدی نیست. در میان بسیاری از دیگر سیستم های ذخیره سازی انرژی (ESS)، تمرکز بر ابرخازن‌ ها به دلیل پایداری بالا به عنوان تابعی از دما، سیکل پذیری عالی، ساخت آسان، انرژی و چگالی بالا افزایش یافته است. ابرخازن ها بار را از طریق دو مکانیسم ذخیره می کنند: الکترواستاتیک و جریان فرادیک. مکانیسم الکترواستاتیک بارها را در سطح مشترک الکترود ابرخازن به عنوان ظرفیت دو لایه الکتریکی (EDLC) ذخیره می کند در حالی که فارادیک مکانیسم بارها را به دلیل واکنش ردوکس سطحی بسیار برگشت پذیر در سایت های فعال ردوکس در حین شارژ و تخلیه در سطح الکترود به عنوان شبه خازن (PC) ذخیره می کند. EDLC مواد را می توان به مساحت سطحی آنها نسبت داد. موادی که سطح بالایی دارند مانند مواد کربن دار، پلیمرهای میکرومتخلخل مزدوج (CMP) و فریم ورک های آلی کووالانسی (COF) معمولاً حاوی EDLC بالایی نیز هستند. بنابراین، کشف مواد جدید الکترود سینرژی EDLC و PC را فراهم می کند. با در نظر گرفتن این موضوع، یک ماده الکترود ایده آل باید دارای خواصی مانند داشتن سایت‌ های فعال ردوکس ایده ‌آل، خواص سطحی بالا (SSA)، رسانش خوب، عرض منافذ مناسب، پایداری شیمیایی و حرارتی خوب، و همچنین زیست سازگاری باشد. تحقیقات گسترده در مورد CMP ها نشان می دهد که معرفی هترواتم ها (N، B، S و P) در CMP می تواند برای دستیابی به مواد با سایز منافذ قابل تنظیم و PC استفاده شود. در سال‌ های اخیر، محققان در سراسر جهان در سطوح دانشگاهی و صنعتی برای افزایش استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر و پایدار به منظور محدود کردن تأثیر سوخت فسیلی بر محیط زیست تلاش کردند. پلیمرهای موجود در الکترولیت های پلیمری معمولا به دو نوع مصنوعی و طبیعی تقسیم می شوند: پلیمرهای مصنوعی مانند پلی اتیلن، پلی وینیل کلراید، پلی متیل متاکریلات، پلی کربنات و پلی اکریلونیتریل که تجزیه ناپذیر بوده و نگرانی های زیست محیطی را به همراه دارند. پیشرفت قابل توجهی در تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر طی دو دهه گذشته حاصل شده است که نشان دهنده ضرورت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و در عین حال، بی خطر برای محیط زیست است.

اخیرا پلیمرهای زیست تخریب پذیر مختلف مانند سلولز، کربوهیدرات و کیتوزان با اصلاح مناسب برای تقویت رسانش یونی آنها به عنوان الکترولیت در دستگاه های مختلف ذخیره انرژی همچون باتری، سلول های خورشیدی حساس به رنگ و ابرخازن ها استفاده شده اند. CMP ها ترکیبات متخلخلی هستند که از اتصال کووالانسی واحدهای ساختمانی مزدوج π همراه با اسکلت گسترش یافته ساخته شده اند که شبکه‌ های میکروتخلخل سه بعدی و خواص سطحی آنها را فراهم می کند. آنها می توانند به راحتی با استفاده از واکنش های متعدد جفت C-C مانند جفت شدن یاماموتا، سونوگاشیرا و سوزوکی و همچنین پلیمریزاسیون اکسیداتیو سنتز شوند که مشخصه مهم آنها درجه بالای پلیمریزاسیون، چگالی اتصال عرضی و همچنین امکان ادغام بخش های مختلف است. این روش‌ های جفت‌ شدن به  CMPها اجازه می ‌دهد تا CMP بیشتری برای تمایز از سایر پلیمرهای معمولی، با سینتیک یون/ انتشار سریع در اختیار داشته باشند که از خواص متخلخل آنها سرچشمه می گیرد. بنابراین، CMP ها اگر به عنوان مواد الکترود در ذخیره انرژی الکتروشیمیایی استفاده شوند، از ظرفیت بالا و پایداری چرخه ای طولانی مدت برخوردار هستند. از این رو، به عنوان جایگزین ایده آلی برای کاتالیز، ذخیره گاز و ذخیره انرژی الکتروشیمیایی محسوب می شوند. در سال‌های اخیر، بنزوبیستیادیازول (BBT) به عنوان یک خروج قوی در گروه الکترون و یک مولکول امیدوارکننده در نظر گرفته شده است که به دلیل تحرک حامل بار و مقدار کم باند به کاربرد گسترده ای در حوزه فتوولتائیک آلی، اپتیک غیرخطی، ترانزیستور اثر میدان آلی و دیودهای نور ساطع کننده آلی رسیده است. این مطالعه اولین گزارش تهیه مواد CMP حاوی واحدهای بنزوبیستیادیازول و استفاده از این مواد به عنوان یک الکترود آلی در ابرخازن ها را بیان می کند. در اینجا، ما ساخت موفقیت آمیز BBT-CMP های جدید حاوی بنزوبیستیادیازول، تری فنیل آمین (TPA)، پیرن (Py) و تترافنیل اتن (TPE) را از طریق واکنش جفت کردن سونوگاشیرا، ساختار و خواص آنها مانند تخلخل، پایداری حرارتی و خواص سطح با استفاده از NMR حالت جامد، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد تجزیه و تحلیل قرار دادیم.

در این بررسی، از سه نوع CMP (TPA-BBT,Py-BBT و TPE-BBT-CMPs) بر اساس واحد BBT با موفقیت از طریق واکنش جفت کردن سونوگاشیرا به عنوان مواد الکترود در سیستم های ذخیره انرژی استفاده شد. همچنین از چند تکنیک مانند BET، TGA، SEM و TEM برای توصیف تخلخل، پایداری حرارتی، و مورفولوژی خواص BBT-CMP جدید استفاده شد. جالب تر اینکه الکترودهای TPA-BBT-CMP، Py-BBT-CMP و TPE-BBT-CMP از ظرفیت خازنی بیش از 220، 228 و 214 برخوردار هستند و می توانند به دلیل پراکندگی غیرمحلی LUMO آنها و شکاف های باند کوچک (بر اساس تجزیه و تحلیل DFT و MESP) دوام خود را تا بیش از 2000 چرخه در جریان 10 A g⁻¹ حفظ کنند. خواص منحصر به فرد BBT-CMP ها، همانطور که در بالا نشان داده شده است، آنها را به جایگزین ایده آلی برای ذخیره انرژی و سایر کاربردهای بالقوه تبدیل کرده است.