[发明专利]一种质子传递体修饰的纳米阵列电极及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电催化电极材料技术领域，具体涉及一种质子传递体修饰的纳米阵列电极及其制备方法与应用。该质子传递体修饰的纳米阵列电极为集流体上生长δ‑MnO₂后用质子传递体表面包覆得到，质子传递体中的羧基、咪唑基、氨基等官能团可以有效协助催化反应过程中质子的传递，能显著提高δ‑MnO₂纳米阵列电极在电催化质子耦合电子转移反应的性能，加快反应速率。并且制备方法简单，可大规模产业化生产，非常适用于析氧反应、析氢反应、氧还原反应、氢氧化反应、尿素氧化反应等各种质子耦合电子转移反应。

技术领域

本发明属于电催化电极材料技术领域。更具体地，涉及一种质子传递体修饰的纳米阵列电极及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，为应对日益严重的能源危机和环境问题，研究人员发展了大量绿色、可持续的新能源存储/转换体系。在上述体系中，众多核心的氧化还原历程中均涉及质子耦合电子转移(PCET)过程，如析氧反应(OER)，析氢反应(HER)，氧还原反应(ORR)，氢氧化反应(HOR)，尿素氧化反应(UOR)，氨氧化反应(AOR)，二氧化碳还原反应(CO₂RR)，氮还原反应(NRR)等。为推广新能源存储/转换体系的实际应用，其关键就是加速PCET过程以加快体系核心氧化还原反应的进行，从而提高整体的能量转换效率。

δ-MnO₂由于独特的层状晶体结构、丰富的金属变价、优异的稳定性和抗腐蚀性，其作为电催化材料在新能源存储/转换体系中得到广泛研究和应用。如中国专利申请CN111977694A公开了一种宽电位窗口δ-MnO₂电极材料，该材料将KMnO₄溶液、KF溶液均匀混合，调节pH至2～4，加入基底材料，于80～180℃下进行水热反应，制得δ-MnO₂纳米片阵列，能一定程度上提高材料的电化学性能性能，但是随着现有技术的发展与进步，δ-MnO₂纳米片阵列的电催化活性已经无法满足日益增长的电催化需求，应用收到了极大的限制，仍需进一步提高δ-MnO₂纳米片阵列的电催化活性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有δ-MnO₂纳米片阵列电催化活性无法满足日益增长的电催化需求的缺陷和不足，提供一种可以实现高效电催化的质子传递体修饰的纳米阵列电极。

本发明的目的是提供所述质子传递体修饰的纳米阵列电极的制备方法。

本发明另一目的是提供所述质子传递体修饰的纳米阵列电极的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种质子传递体修饰的纳米阵列电极，其特征在于，所述质子传递体修饰的纳米阵列电极为集流体上生长δ-MnO₂后用质子传递体表面包覆得到；其中，所述质子传递体选自有机磷酸类、多酚类、多元醇类、氨基酸类、有机胺类、有机酸类化合物中的一种或多种。

质子传递体为能够提升质子转移速率的试剂，作为质子受体，促进质子转移，强化PECT过程，从而提升反应速率。本发明采用质子传递体对集流体上原位生长的δ-MnO₂纳米阵列电极进行包覆，本发明所选的质子传递体修饰剂富含功能性官能团，如羧基、咪唑基、氨基、磷酸基、酚羟基、羟基等，它们均可以通过提供孤对电子与亲电性的质子结合，作为优良的质子受体和中转站，有效协助和加速质子的传递，从而促进质子耦合电子转移步骤，提高反应速率，进而显著提高δ-MnO₂纳米阵列电极在各种涉及质子耦合电子转移的电化学反应中的电催化性能。