形貌可控的碳化钨复合材料制备及其电催化性能研究

作     者：江叶坤 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马淳安;施梅勤

授予年度：2016年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：可控制备 氧缺陷 碳化钨 碳纳米管 电催化 

摘      要：碳化钨(WC)因其优秀的稳定性,类铂催化性能及抗一氧化碳中毒能力,被认为是一种有着良好前景的直接甲醇燃料电池阳极催化剂。然而由于制备方法的限制,碳化钨材料极易发生团聚,颗粒尺寸较大,难以控制良好的形貌,同时也由于其导电性的不足,极大地限制了在直接甲醇燃料电池领域的应用。研究表明通过形貌控制是调控材料物理化学性质的一种有效手段,目前仅有少数文章研究了碳化钨材料的形貌控制,制备得到了纳米片,纳米棒等形貌的碳化钨材料。良好的电催化剂需要具有大的电化学活性面积,除改善活性物质本身之外,也可通过加入载体藉以获得较多的有效活性位点。大量的文章选用碳纳米管等载体分散负载碳化钨,借此提高其催化性能。然而碳管表面光滑,需要强酸处理以得到羟基/羧基官能团,过程复杂易引入杂质,且得到官能团的数量也有限。本文选用含有大量氧缺陷的WO作为前驱体,首先通过控制反应条件制备多种形貌的WO,然后利用其中独特的缺陷结构制备形貌可控的碳化钨材料。此外,通过结构设计,我们以其为前驱体,利用缺陷结构及特殊的表面形貌,原位催化碳管的生长,制备得到了特殊的绒球结构和网络状结构的WC/CNTs复合材料。通过控制碳化钨的特殊形貌以及设计碳化钨与原位生长碳管间的特异结构,改善碳化钨目前存在的问题,提高材料的电催化性能。主要研究内容如下:(1)首先以微波辅助加热法制备得到了WO纳米材料,并提出了氧浓度控制机理,尝试解释WO纳米材料多种不同形貌的制备机理。在无氧条件下,分别以双氧水和氧气作为氧源,详细探讨了体系氧浓度对于材料形貌的影响。(2)选用WO作为前驱体,利用其特殊的缺陷结构,通过控制条件,制备多种形貌的碳化钨纳米材料。同时通过对比实验,论证了前驱体氧缺陷对于形貌维持的作用。其后,以碳化钨作为载体制备Pt/WC复合材料,其对甲醇表现出了良好的电催化能力。(3)通过结构设计,利用WO的缺陷结构及特殊的表面结构,原位生长碳纳米管,制备得到有着特异结构的绒球状及网络状WC/CNTs复合材料。同时在其上负载少量铂,制备Pt-WC/CNTs电催化剂,并作电化学性能测试。结果表明,特殊的结构对材料的电催化性能有着良好的促进作用。其中网络状材料表现出更为优异的电催化活性及稳定性。