亚酞菁化合物的设计合成及其对锂/亚硫酰氯电池体系的催化性能研究

本项目以亚酞菁为目标化合物，通过对其进行物理化学表征和电性能测试，在计算机辅助设计的帮助下运用QSAR（定量构效关系）原理得到一系列优化结构，通过对这些优化结构的亚酞菁化合物的合成及性能测试，结合其作为催化剂与底物催化时整个电池体系的物理化学参数的变化，运用三维定量构效关系的基本理论，通过亚酞菁电极催化剂的设计与筛选、碳电极工艺优化及电解液优化等方法，研究亚酞菁结构及其聚集形态对 Li/SOCl2电池的催化作用，选择理想的亚酞菁类催化剂及共催化剂，寻找亚酞菁催化剂的构效关系，得到最佳的催化剂结构。提出亚酞菁化合物作为Li/SOCl2电池正极催化剂的催化机理、验证并加以完善，使得储备式Li/SOCl2电池在常温、低温下的实际输出电压提高5%以上，以满足现代武器引信的特殊使用要求。

摘 要.锂/亚硫酰氯电池是众多化学电源中的一种，它具有使用温度范围广、能量密度大、贮存寿命长、开路电压高等许多优点，已经被广泛用于军事、通信等众多领域。但电压滞后使其实际电压远远小于理论电压，这严重限制了锂/亚硫酰氯电池更为广泛的应用。亚酞菁分子是由处于外围的三个异吲哚啉以及中心的硼原子组成的、分子空间立体结构具有一定程度弧面的、近似轴向压缩了的三角锥型大环化合物。亚酞菁广义上可认为是酞菁的同系物，但其不同于酞菁的轴向活性基团和空间立体构型使其具备更好的结构修饰性和潜在的催化活性。因此，我们可以选择亚酞菁作为催化剂，以达到提高其放电电压或延长放电时间的目的。.本课题首先在无水无氧条件下，采用溶剂法合成系列亚酞菁类化合物共97种，并通过红外光谱、紫外可见光谱及元素分析等手段对所制备化合物进行了表征。采用重结晶法和气相扩散法，培养出部分亚酞菁化合物单晶，讨论了亚酞菁类化合物结构特点及不同取代基对其大环空间立体构型的影响。将上述所制备的所有亚酞菁类化合物用于锂/亚硫酰氯电池电解液催化剂，以模拟电池为研究对象，通过恒电阻放电测试评价其催化活性。通过线性循环伏安扫描测试，分析电池电极反应性质。综合实验结果显示：.(1) 绝大部分亚酞菁化合物作为催化剂都能够一定程度的延长锂/亚硫酰氯电池放电时间，其中碳纳米管轴向修饰[(外围)三硝基]亚酞菁性能最好，可使放电时间分别延长57.41%；.(2) 催化剂对锂/亚硫酰氯电池的催化过程在电池两步还原中均发生了电子的转移；.(3) 亚酞菁化合物的催化性能受其外围和轴向基团的共同影响，两种基团的电子性质相互制约；而基团的体积因素亦不可忽视。