一种质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极及其制备方法和应用。该双功能一体化MOF电极的制备方法，包括如下步骤：(1)制备金属有机框架材料MOF；(2)对金属有机框架材料MOF使用浸渍法进行改性，改性温度为25℃

【技术实现步骤摘要】
一种质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化与原位检测
，尤其涉及一种质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前，电催化技术已在许多领域得到了应用，如电解水制氢、电化学二氧化碳还原和电化学制氨等。这些过程均有一个典型共同特征，即质子对反应物转化耦合过程。质子的耦合过程无论是对于电催化机理研究，还是对于反应产物选择性的控制，均具有重要的意义。但缺少研究工具来原位监测质子在电极表面的分布与迁移行为，亟待解决该问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决了现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极及其制备方法和应用，该MOF电极可实现催化与原位观测电极表面质子浓度两种功能。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极的制备方法，包括如下步骤：
[0005](1)制备金属有机框架材料MOF；
[0006](2)对金属有机框架材料MOF使用浸渍法进行改性，改性温度为25℃
‑
180℃，改性时间为2
‑
72h，获得电催化与传感双功能的MOF
’
，浸渍过程包括金属盐溶液浸渍和功能性配体溶液两步浸渍，两步浸渍顺序可互换，将电催化与传感双功能的MOF
’
洗净，获得改性后的MOF
’
；
[0007](3)将改性后的MOF
’
均匀分散在含Nafion溶液中后，滴涂在导电基底上，MOF
’
与含Nafion溶液质量比为1:10～1000，干燥成膜后得到双功能一体化MOF电极。
[0008]优选地，步骤(1)所述的金属有机框架材料MOF选自UiO
‑
66、UiO
‑
67、MOF
‑
808、MIL
‑
101、HKUST
‑
1和ZIF
‑
8中的一种以上。步骤(1)采用“一锅法”制备金属有机框架材料MOF。
[0009]金属有机框架UiO
‑
66的合成方法为：以四氯化锆和对苯二甲酸为原料，溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙酸，100℃～220℃反应10
‑
24h后，冷却至室温，过滤，使用N,N
‑
二甲基甲酰胺和甲醇各洗涤4次，干燥，产物为UiO
‑
66；其中，四氯化锆、对苯二甲酸、N,N
‑
二甲基甲酰胺、乙酸的摩尔比为1:1～1.5:1000
‑
1800:200
‑
800。
[0010]金属有机框架MOF
‑
808的合成方法为：以八水合氯氧化锆和均苯三甲酸为原料，溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺，70℃～150℃反应10～30h后，冷却至室温，过滤，使用N,N
‑
二甲基甲酰胺洗涤3次，产物为MOF
‑
808；其中，八水合氯氧化锆、均苯三甲酸、N,N
‑
二甲基甲酰胺的摩尔比为1:0.25～1:100～300。
[0011]金属有机框架MIL
‑
101的合成方法为：以六水合氯化铁和对苯二甲酸为原料，溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺，80℃～160℃反应2～72h后，冷却至室温，过滤，使用N,N
‑
二甲基甲酰
胺和乙醇分别洗涤3次，产物为MIL
‑
101；其中，六水合氯化铁、对苯二甲酸、N,N
‑
二甲基甲酰胺的摩尔比为1:0.25～3:100～1000。
[0012]金属有机框架ZIF
‑
8的合成方法为：以四水合硝酸锌和2
‑
甲基咪唑为原料，溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺，100℃～180℃反应18～36h后，冷却至室温，过滤，使用N,N
‑
二甲基甲酰胺洗涤3次，产物为ZIF
‑
8；其中，四水合硝酸锌和2
‑
甲基咪唑、N,N
‑
二甲基甲酰胺的摩尔比为1:0.5～1.5:200～400。
[0013]优选地，步骤(2)所述的金属盐溶液或功能性配体溶液的体积是金属有机框架材料MOF几何体积的2倍以上。
[0014]步骤(2)所述的金属盐溶液中金属离子选自铁、钴、镍、铜、钌、铂、稀土元素中的一种以上，所述的功能性配体为香豆素衍生配体或稀土离子修饰的吡啶羧酸配体，所述的金属盐溶液或功能性配体溶液的浓度为0.001～2.000mol/L。香豆素衍生配体为7
‑
羟基香豆素
‑3‑
丙酸或7
‑
羟基香豆素
‑2‑
乙酸。
[0015]优选地，步骤(2)所述的金属盐溶液或功能性配体溶液的溶剂选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、甲苯、DMF(N,N
‑
二甲基甲酰胺)和NMP(N
‑
甲基吡咯烷酮)中的一种。金属盐为CuCl2、Co(CH3COO)2或其他金属盐类。
[0016]优选地，步骤(3)所述的含Nafion的溶剂选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、DMF和NMP中的一种以上，含Nafion溶液中Nafion的质量分数为0.1％～40.0％。
[0017]优选地，步骤(3)所述的成膜环境为大气气氛，成膜温度为25℃～200℃，成膜时间为0.5～24.0h。
[0018]优选地，步骤(3)所述的导电基底材料选自ITO导电玻璃、FTO导电玻璃、泡沫金属、玻碳、导电碳布和导电碳纸中的一种。
[0019]本专利技术还保护根据上述制备方法制备得到的质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极。
[0020]本专利技术还保护上述双功能一体化MOF电极作为电催化的阴极材料中的应用，所述的电催化包括电解水、二氧化碳还原、氮气还原和硝酸盐还原。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术所述的双功能一体化MOF电极的制备方法制备得到的双功能电极在具体使用时，可作为电解水、二氧化碳还原、氮气还原、硝酸盐还原等技术的阴极材料使用，同时实现上述反应在反应过程中电极表面的质子浓度变化荧光响应。
附图说明
[0022]图1是实施例1得到的UiO
‑
66和UiO
‑
66
’
样品XRD衍射谱图；
[0023]图2是实施例1得到的UiO
‑
66和UiO
‑
66
’
样品光学照片以及相应的荧光发光状态(365nm激发)；
[0024]图3是实施例1得到的UiO
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子浓度检测与电催化双功能一体化MOF电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备金属有机框架材料MOF；(2)对金属有机框架材料MOF使用浸渍法进行改性，改性温度为25℃
‑
180℃，改性时间为2
‑
72h，获得电催化与传感双功能的MOF
’
，浸渍过程包括金属盐溶液浸渍和功能性配体溶液两步浸渍，将电催化与传感双功能的MOF
’
洗净，获得改性后的MOF
’
；(3)将改性后的MOF
’
均匀分散在含Nafion溶液中后，滴涂在导电基底上，MOF
’
与含Nafion溶液质量比为1:10～1000，干燥成膜后得到双功能一体化MOF电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的金属有机框架材料MOF选自UiO
‑
66、UiO
‑
67、MOF
‑
808、MIL
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101、HKUST
‑
1和ZIF
‑
8中的一种以上。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的金属盐溶液或功能性配体溶液的体积是金属有机框架材料MO...

【专利技术属性】
技术研发人员：许彦桐，曹晏，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：