【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鋅空電池(zabs)空氣陰極催化體系制備，具體涉及一種催化劑、生物質混合酶-tempo級聯催化反應體系及其在鋅空電池中的應用。
技術介紹
1、鋅空氣電池(zabs)是以金屬鋅為負極、o2為正極活性物質，放電過程中，金屬鋅被氧化，o2被還原的電池。zabs理論能量密度遠高于鋰離子電池的理論能量密度，是傳統鉛酸電池的五倍多。而且zabs具有成本低、環境友好、安全性高和穩定性好等優點，被視為下一代可持續能源轉換設備，為未來清潔能源存儲提供解決方案選擇。然而，zabs充放電過程須經歷氧還原反應(orr)和析氧反應(oer)兩個多電子傳遞過程，反應動力學緩慢，導致zabs充電電壓較高、能量轉換效率較低、電化學穩定性較差，限制其商業化進程。
2、由于大量的電力輸入主要是由oer導致的，急需一種替代oer的策略。采用生物質氧化反應(bor)取代oer，這在熱力學上是有利的，在經濟上同樣具有吸引力。近來，生物質分子(尿素、胺、糖類、醇類、醛類等)容易在自然界獲得，儲量豐富，越來越受到人們的關注。生物質分子在室溫下可溶于水，并且理論氧化電勢相對oer較低，從而避免來自oer的競爭。而且，這些生物質分子和它們的產物都不會干擾陰極orr。在各種有機底物中，葡萄糖來源豐富，可從生物質中提取得來。葡萄糖氧化反應(gor)的理論平衡電壓遠低于oer反應，而且產物葡萄糖二酸(gra)具有無毒、無腐蝕和易生物降解等優點，被廣泛應用于可降解生物聚合物、洗滌劑、金屬絡合劑以及癌癥治療等方面，是一種高附加值化合物。gor為生物質平臺分子合成
3、生物酶可以在o2存在的中性介質中將低成本的生物質轉化為高價值的產品。酶催化反應類似傳統催化反應，通過降低反應活化能來提高反應速率。與傳統催化劑不同的是，生物酶催化劑具有獨特的反應條件溫和、催化效率高、特異性強和可調控的酶活性等催化優勢。葡萄糖氧化酶(gox)可以從一系列不同的真菌中純化得來，已經得到大規模的應用。作為一種典型的氧化還原酶，gox在o2參與下，可將葡萄糖氧化成葡萄糖酸(gluconicacid)和過氧化氫(h2o2)。一分子葡萄糖徹底氧化可以產生24e-，gox催化葡萄糖氧化僅產生2e-，氧化并不徹底，葡萄糖利用率低。在單一的生物酶催化體系中，很難同時實現生物質的高效電子轉移和深度氧化。2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(tempo)及其衍生物是一類常用的有機電催化劑。tempo常被用來與生物酶聯用，構筑混合酶-有機電催化劑級聯反應體系，實現生物質深度氧化，提高生物質能利用率。通過高效的混合酶-有機電催化劑級聯反應體系，不僅可以催化生物質深度氧化，而且可以在中性介質中產生高價值的產物。我們采用生物質混合酶-有機電催化劑級聯反應體系，將葡萄糖深度氧化產生高附加值的產品，同時取代oer，降低zabs充電電壓、提高能量轉換效率。
4、基于此，有必要提供一種生物質混合酶-tempo級聯催化反應體系的構筑及其在鋅空電池的應用。
技術實現思路
1、為實現專利技術目的，本專利技術提供一種催化劑、生物質混合酶-tempo級聯催化反應體系及其在鋅空電池中的應用，本專利技術以葡萄糖氧化酶(gox)作為模型酶、tempo及其衍生物作為有機電催化劑形成生物質混合酶-tempo級聯催化反應體系，可聯合催化葡萄糖氧化，發現陽極電位和能耗都有所降低；本專利技術選用葡萄糖氧化反應取代oer，既能有效提高zabs能量轉換效率，同時實現可再生生物質能利用及生物質增值化。
2、為實現上述目的，本專利技術的技術方案如下：
3、一方面，本專利技術提供一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑，其為pyrene-tempo。
4、進一步地，所述pyrene-tempo的紅外光譜(ir)在3308cm-1，1750cm-1，1538cm-1，1297cm-1處具有特征官能團振動峰，誤差在±2cm-1。
5、進一步地，所述pyrene-tempo的紅外光譜(ir)如圖1a所示，1h?nmr譜圖如圖1b所示，epr譜圖如圖2a所示，xps全譜圖如圖2b所示，c?1s譜圖如圖2c所示；n?1s圖譜如圖2d所示。
6、一方面，本專利技術提供一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑pyrene-tempo的制備方法，由1-芘丁酸與4-amino-tempo進行酰胺偶聯制得。進一步地，所述1-芘丁酸與4-amino-tempo的摩爾比例為1:3-3:1，具體為1:1、1:2、1:3、3:1、2:1等。
7、進一步地，所述1-芘丁酸與4-amino-tempo分散在二氯甲烷后，加入4-二甲氨基吡啶和n,n'-二環己基碳二亞胺，攪拌反應制得。進一步地，所述4-二甲氨基吡啶和n,n'-二環己基碳二亞胺的摩爾比為1:10-10:1，具體可為1:10。
8、進一步地，所述方法具體步驟如下：
9、s1、將1-芘丁酸和4-胺-2,2,6,6-四甲基二苯哌酯分散在有機溶劑中，在惰性氣氛，室溫攪拌；
10、s2、待s1的反應體系變橙色后，加入4-二甲氨基吡啶和n,n'-二環己基碳二亞胺，繼續攪拌；
11、s3、待s2的反應體系反應完成后，過濾、真空蒸發，得粗產物；
12、s4、粗產物經柱層析純化，減壓蒸發得pyrene-tempo。
13、進一步地，所述惰性氣氛為ar或n2氣氛；所述柱層析的洗脫劑是v(己烷)/v(乙酸乙酯)＝3：7，所述減壓蒸發，是在密閉蒸發器內，將二次蒸汽經冷凝器冷凝排出，使蒸發器內的二次蒸汽成為負壓，降低溶液沸點。
14、一方面，本專利技術提供一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑，其為n-cnts-1200-t。
15、進一步地，所述n-cnts-1200-t顯示為竹形中空納米結構，直徑范圍在180～200nm。
16、進一步地，所述n-cnts-1200-t由pyrene-tempo和n-cnts-1200制備而成。進一步地，所述n-cnts-1200和pyrene-tempo的摩爾比例為1:5-5:1，具體為1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、5:1、4:1、3:1、2:1等。
17、另一方面，本專利技術提供一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑n-cnts-1200-t的制備方法，包括以下步驟：將pyrene-tempo溶解在n-甲基吡咯烷酮中，再加入n-cnts-1200，超聲分散后洗滌制得。
18、一方面，本專利技術提供一種級聯催化反應體系，包括基底電極、有機電催化層和酶層，所述有機電催化層含有2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(tempo)及其衍生物。本專利技術所述級聯催化反應體系為生物質混合酶-tempo級聯催化反應體系，可用于鋅空電池(zabs)空氣陰極催化體系，能夠取代鋅空電池空氣陰極充電過程析氧反應(oer)，oer是可充電zabs的重要半反應。然而oer動力學緩慢，通本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑，其特征在于，其為Pyrene-TEMPO。
2.根據權利要求1所述有機催化劑，其特征在于，所述Pyrene-TEMPO的紅外光譜在3308cm-1，1750cm-1，1538cm-1，1297cm-1處具有特征官能團振動峰，誤差在±2cm-1。
3.根據權利要求1所述有機催化劑，其特征在于，所述Pyrene-TEMPO的紅外光譜如圖1a所示，1H?NMR譜圖如圖1b所示，EPR譜圖如圖2a所示，XPS全譜圖如圖2b所示，C1s譜圖如圖2c所示；N?1s圖譜如圖2d所示。
4.根據權利要求1所述有機催化劑，其特征在于，所述Pyrene-TEMPO由1-芘丁酸與4-AMINO-TEMPO進行酰胺偶聯制得。
5.一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑，其特征在于，其為N-CNTs-1200-T。
6.根據權利要求5所述有機催化劑，其特征在于，所述N-CNTs-1200-T由權利要求1-4任一所述Pyrene-TEMPO和N-CNTs-1200制備而成。
7.根據權利要求5所述
8.一種級聯催化反應體系，其特征在于，包括基底電極、有機電催化層和酶層，所述有機電催化層含有2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基及其衍生物。
9.根據權利要求8所述級聯催化反應體系，其特征在于，所述基底電極選自玻碳電極、碳紙或泡沫鎳；所述有機電催化層含有權利要求5所述N-CNTs-1200-T；所述酶層中的酶選自葡萄糖氧化酶、葡萄糖脫氫酶或草酸氧化酶；
10.一種電化學工作站，其特征在于，包括權利要求8-9任一所述的級聯催化反應體系；
...【技術特征摘要】
1.一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑，其特征在于，其為pyrene-tempo。
2.根據權利要求1所述有機催化劑，其特征在于，所述pyrene-tempo的紅外光譜在3308cm-1，1750cm-1，1538cm-1，1297cm-1處具有特征官能團振動峰，誤差在±2cm-1。
3.根據權利要求1所述有機催化劑，其特征在于，所述pyrene-tempo的紅外光譜如圖1a所示，1h?nmr譜圖如圖1b所示，epr譜圖如圖2a所示，xps全譜圖如圖2b所示，c1s譜圖如圖2c所示；n?1s圖譜如圖2d所示。
4.根據權利要求1所述有機催化劑，其特征在于，所述pyrene-tempo由1-芘丁酸與4-amino-tempo進行酰胺偶聯制得。
5.一種用于級聯催化反應體系的有機催化劑，其特征在于，其為n-cnts-1200-t。
【專利技術屬性】
技術研發人員：張玉霞，李陳，鄧晶宇，鄭艷，李剛勇，周彬彬，侯朝輝，
申請(專利權)人：湖南理工學院，
類型：發明
國別省市：
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