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系統識別號 U0002-1002202011000400
中文論文名稱 鈉離子電池多孔有機電極材料之探討
英文論文名稱 Exploration of Porous Organic Electrode Materials for Sodium-Ion Batteries
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 108
學期 1
出版年 109
研究生中文姓名 湯智強
研究生英文姓名 Jhih-Ciang Tang
學號 606160249
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2020-01-09
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-陳登豪
委員-陳曜鴻
委員-柯碧蓮
中文關鍵字 高分子孔洞材料  氧化還原活性  鈉離子電池  陰極材料 
英文關鍵字 Polymeric porous materials  Redox activity  Sodium-ion batteries  cathode materials 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 有機材料有望成為下一代電極材料,因為它們的成本相較於其他重金屬製成的電極材料來的低、具回收性、可客製化以及材料對環境友善。本論文經由三甲酰基間苯三酚(TFP)和萘二酰亞胺二胺(NDI)的縮合反應,合成了NDI-TFP高分子。這種具有氧化還原性質的高分子聚合物其共軛系統提供了電子傳遞途徑,其中萘二酰亞胺單元可以經過兩個單電子還原過程產生陰離子和二陰離子的自由基。透過固態循環伏安法證明了NDI-TFP高分子聚合物此材料具有氧化還原活性,並研究其在鈉離子電池電極材料中的應用。
英文摘要 Organic materials are promising candidates as next-generation electrode materials because they are potentially low-cost, recyclable, tunable, and environmentally friendly compared to conventional inorganic electrodes. Through the condensation of triformylphloroglucinol (TFP) and naphthalene-diimide diamine (NDI), TFP-NDI porous organic polymer was synthesized. The open channels of redox-active TFP-NDI polymer provide pathways for metal ions and the naphthalene-diimide units can undergo two one-electron reduction processes to yield radical anion and dianion. The redox activity of TFP-NDI was revealed by solid-state cyclic voltammetry and its application as electrode material for sodium-ion batteries was studied.
論文目次 第一章 緒論 1
1-1 能源儲存的重要性 1
1-2 鋰離子電池 4
1-3 鈉離子電池電極特性 6
1-4 有機材料於鈉離子電池電極 6
1-5 探討鈉離子電池中的有機材料 8
1-5-1 羰基官能基聚合物 10
1-6 共價有機框架材料 (Covalent Organic Frameworks. COFs) 13
1-7 共價有機骨架之反應機制 14
1-8 共價有機骨架之合成方式 17
第二章 實驗儀器與藥品 20
2-1 實驗基本條件 20
2-2 實驗儀器與測試方法 20
2-3 溶劑及藥品 23
第三章 實驗步驟 25
3-1 有機合成 25
3-1-1 4,4'-(1,4-Phenylene)bis(2-methylbut-3-yn-2-ol) (1) 25
3-1-2 1,4-Diethynylbenzene (2) 26
3-1-3 4-(Trimethylsilyethynyl)aniline (3) 27
3-1-4 4-Ethynylaniline (4) 28
3-1-5 4,4'-(Buta-1,3-diyne-1,4-diyl)dianiline (5) 28
3-1-6 2,4,6-Triformylphloroglucinol (6) 29
3-1-7 Naphthalenediimide diamine (7) 30
3-2 有機合成的鑑定 31
3-2-1 4,4'-(1,4-Phenylene)bis(2-methylbut-3-yn-2-ol) (1) 31
3-2-2 1,4-Diethynylbenzene (2) 32
3-2-3 4-(Trimethylsilyethynyl)aniline (3) 33
3-2-4 4-Ethynylaniline (4) 34
3-2-5 4,4'-(Buta-1,3-diyne-1,4-diyl)dianiline (5) 35
3-2-6 2,4,6-Triformylphloroglucinol (6) 36
3-2-7 Naphthalenediimide diamine (7) 37
3-3 孔洞高分子及共價有機骨架製備 38
3-3-1 TFP-NDI合成方法 38
3-3-2 BTN-NDI合成方法 39
3-3-3 TP-BDDA COF 合成方法 40
第四章 結果與討論 41
4-1 TFP-NDI 41
4-1-1 TFP-NDI最佳化條件探討 42
4-1-2 TFP-NDI 電池 55
4-1-3 TFP-NDI 電池實驗結果 55
4-2 BTN-NDI-COF 58
4-2-1 BTN-NDI-COF最佳化條件探討 59
4-3 TP-BDDA COF 61
4-3-1 TP-BDDA COF最佳化條件 62
第五章 結論 65
第六章 參考資料 67












圖目錄
圖1 未來10年後預估二氧化碳排放量。 1
圖2 民國 107 年政府公布能源轉型政策及未來走向。 2
圖3 以太陽能為例,綠色替代能源供應的不連續性。 3
圖4 鋰及鈉作為電池材料所需成本。 6
圖5 NDI-△和NDI-Ref氧化還原機制。 8
圖6 PPYT和PYT電極材料結果。 9
圖7 不同種類的聚醌結構。 10
圖8 聚醌氧化還原反應。 11
圖9 Yang研究團隊材料(a)固態循環伏安法(b)恆電流充放電圖。 11
圖10 不同種類的聚酰亞胺結構。 12
圖11 聚酰亞胺氧化還原反應。 12
圖12 COF-1及COF-5。 15
圖13(a)TpPa-COF及(b)DAAQ-TFP-COF。 17
圖14 溶劑熱合成法示意圖。 18
圖15 界面合成法示意圖。 19
圖16 TFP-NDI固態循環伏安法。 42
圖17 表4之部分PXRD圖。 44
圖18 表5 No.1 Dioxane 2 mL及Mesitylene 0.2mL為反應環境下粉末繞射圖。 46
圖19 表5 No.3粉末繞射圖Dioxane 2 mL、Mesitylene 1.8mL及H2O 20 μL為反應環境下粉末繞射圖。 47
圖20 表5 No.20粉末繞射圖Dioxane 2 mL、Mesitylene 0.6mL及H2O 40 μL為反應環境下粉末繞射圖。 47
圖21 表5 No.21 Dioxane 2 mL、Mesitylene 1.2 mL及H2O 40 μL為反應環境下粉末繞射圖。 48
圖22 表6 No.2 DMA 2 mL、Mesitylene 0.4 mL及PTSA 1 mg為反應環境下粉末繞射圖。 50
圖23 表6 No.2 DMA 2 mL、Mesitylene 0.4 mL及PTSA 1 mg為反應環境下紅外線光譜圖。 51
圖24 表6 No.2 DMA 2 mL、Mesitylene 0.4 mL及PTSA 1 mg為反應環境下固態核磁共振光譜圖。 52
圖25 表6 No.2 DMA 2 mL、Mesitylene 0.4 mL及PTSA 1 mg為反應環境下氣體吸附圖。 53
圖26 表7 No.5 DMA 1mL、Mesitylene 1 mL及6M AcOH 0.5 mL為反應環境下粉末繞射圖。 54
圖27 TFP-NDI電池反應示意圖。 55
圖28 TFP-NDI 恆電流充放電圖(constant current)。 55
圖29 未經後製的TFP-NDI。 56
圖30 機械剝離法(Mechanical Exfoliation)後的TFP-NDI。 56
圖31 機械剝離法(Mechanical Exfoliation)後的TFP-NDI恆電流充放電(constant current)。 57
圖32 電子顯微鏡下的(a)未經後製的TFP-NDI(b)機械剝離法(Mechanical Exfoliation)後的TFP-NDI。 58
圖33 表8 No.12 DMSO 2.5 mL、Mesitylene 0.4 mL及3M AcOH 20 μL為反應環境下粉末繞射圖。 60
圖34 表9 No.13 CH2Cl2 20 mL、H2O 10 mL及CH3CN 5 mL為反應環境下粉末繞射圖。 64



表目錄
表1 鋰與鈉物性比較。 5
表2 鈉離子電池的各材料電極比較。 7
表3 NDI-△和 NDI-Ref電極材料比較。 8
表4 以Dioxane及Mesitylene做為反應溶劑。 42
表5 以乾燥的溶劑系統做為反應溶劑。 44
表6 改用對甲苯磺酸做為反應催化劑。 49
表7 微波合成法測試條件。 53
表8 以DMSO及Mesitylene做為反應溶劑。 59
表9 改用對甲苯磺酸做為反應催化劑。 62




參考文獻 1. Ellabban, O.; Abu-Rub, H.; Blaabjerg, F. Renew. Sust. Energy Rev., 2014, 39, 748–764.
2. Yang, Z.; Zhang, J.; Kintner-Meyer, M. C. W.; Lu, X.; Choi, D.; Lemmon, J. P.; Liu, J. Chem. Rev., 2011, 111, 3577–3613.
3. Armand, M.; Tarascon, J. M. Nature, 2008, 451, 652–657.
4. Lee, K. T.; Jeong, S.; Cho, J. Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1161-1170.
5. Slater, M. D.; Kim, D.; Lee, E.; Johnson, C. S. Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 947–958.
6. Besenhard, J. O.; Winter, M. Chem. Phys. Chem., 2002, 3, 155–159.
7. Zhang, Y.; Wang, J.; Riduan, S. N. J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 14902–14914.
8. Wang, L. P.; Yu, L.; Wang, X.; Srinivasan, M.; Xu, Z. J. J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 9353–9378.
9. Hou, H.; Qiu, X.; Wei, W.; Zhang, Y.; Ji, X. Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602898.
10. Han, M. H.; Gonzalo, E.; Singh, G.; Rojo, T. Energy Environ. Sci., 2015, 8, 81–102.
11. Kim, H.; Kim, H.; Ding, Z.; Lee, M. H.; Lim, K.; Yoon, G.; Kang, K. Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600943.
12. Kim, S. W.; Seo, D. H.; Ma, X.; Ceder, G.; Kang, K. Adv. Energy Mater., 2012, 2, 710–721.
13. Wang, P. F.; You, Y.; Yin, Y. X.; Guo, Y. G. Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1701912.
14. Wang, L.; Bi, X.; Yang, S. Adv. Mater., 2016, 8, 7672–7679.
15. Wang, L.; Wang, D.; Zhang, F.; Jin, J. Nano Lett., 2013, 13, 4206–4211.
16. Song, Z.; Zhou, H. Energy Environ. Sci., 2013, 6, 2280–2301.
17. Zhao, Q.; Lu, Y.; Chen, J. Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1601792.
18. Bryan, A. M.; Santino, L. M.; Lu, Y.; Acharya, S.; D’Arcy, J. M. Chem. Mater., 2016, 28, 5989−5998.
19. Song, Z.; Qian, Y.; Zhang, T.; Otani, M.; Zhou, H. Adv. Sci., 2015, 2, 1500124.
20. Sun, T.; Li, Z. J.; Wang, H. G.; Bao, D.; Meng, F. L.; Zhang, X. B. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10662−10666.
21. Wilson, D.; Stenzenberger, H.D.; Hergenrother, Polym. Int., 1990, 25, 1–2.
22. Baumgartner, B.; Bojdys, M. J.; Unterlass, M. M. Polym. Chem., 2014, 5, 3771−3776.
23. Jiang, J. X.; Cooper, A. I. Top. Curr. Chem., 2009, 293, 1–33.
24. Wu, D. C.; Xu, F.; Sun, B.; Fu, R. W.; He, H. K.; Matyjaszewski, K. Chem. Rev., 2012, 112, 3959–4015.
25. Sun, T.; Li, Z.J.; Wang, H.G.; Bao, D.; Meng, F.L.; Zhang, X.B. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10662–10666.
26. Wu, D. C.; Xu F.; Sun, B.; Fu, R. W.; He H. K.; Matyjaszewski K. Chem. Rev., 2012, 112, 3959–4015.
27. Rowan, S. J.; Cantrill, S.J.; Cousins, G. R. L.; Sanders J. K. L.; Stoddart, J. F. Angew. Chem., Int. Ed., 2002, 41, 898–952.
28. Hunt, J. R.; Doonan, C, J.; LeVangie, J. D.; Cote A. P.; Yaghi, O. M. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 11872–11873.
29. Kandambeth, S.; Mallick, A.; Lukose, B.; Mane, M. V.; Heine, T.; Banerjee, R. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19524−19527.
30. Zhu, X.; Tian, C. C.; Veith, G. M.; Abney, C. W.; Dehaudt, J.; Dai, S. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 11497−11500.
31. Spitler, E. L.; Giovino, M. R.; White, S. L.; Dichtel, W. R. Chem. Sci., 2011, 2, 1588–1593.
32. Feng, X.; Chen, L.; Dong, Y.; Jiang, D. Chem. Commun., 2011, 47, 1979–1981.
33. Dey, K.; Pal, M.; Rout, K. C.; Kunjattu H, S.; Das, A.; Mukherjee, R.; Kharul, U. K.; Banerjee, R. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13083–13091.
34. Jurícek, M.; Kouwer, P. H. J.; Rowan, A. E. Chem. Commun., 2011, 47, 8740–8749.
35. Shu, W.; Guan, C.; Guo, W.; Wang, C.; Shen, Y. J. Mater. Chem., 2012, 22, 3075−3081.
36. Xu, C.-X.; Ma, C.-H.; Xiao, F.-R.; Chen, H.-W.; Dai, B. Chin. Chem. Lett., 2016, 27, 1683−1685.
37. Oliver-Meseguer, J.; Domenech-Carbō, A.; Boronat, M.; Leyva-Perez, A.; Corma, A. Angew. Chem., Int. Ed., 2017, 56, 6435−6439.
38. Yamaguchi, I.; Higashi, H.; Kimura, S.; Sato, M. Helv. Chim. Acta, 2010, 93, 819.
39. Chong, J. H.; Sauer. M.; Patrick. B. O.; MacLachlan. M. J. Org. Lett. 2003, 21, 3823–3826.
40. Sing, K. S.W.; Everett, D. H.; Haul, R.; Moscou, L.; Pierotti, R. A.; Rouquerol, J.; Siemieniewska, T. Pure Appl. Chem. 1985, 57, 603−619.
41. Pachfule, P.; Acharjya, A.; Roeser, J.; Langenhahn, T.; Schwarze, M.; Schomacker, R.; Thomas, A.; Schmidt, J. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 1423–1427.
42. DeBlase, C. R.; Hernandez-Burgos, K.; Rotter, J. M.; Fortman, ́ D. J.; dos S. Abreu, D.; Timm, R. A.; Diogenes, I. C. N.; Kubota, L. T.; ́ Abruñ a, H. D.; Dichtel, W. R. Angew. Chem., Int. Ed., 2015, 54–58.
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