碳化钨与蒙脱石纳米复合材料的制备与电催化活性

具有类铂催化性能的碳化钨(WC)催化材料是当前研究的热点与难点. 本文以六氯化钨为钨源, 用剥离后的蒙脱石片层为载体, 将化学浸渍法与原位还原碳化法技术相结合制备了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料; 复合材料由碳化钨、碳化二钨(W₂C)和蒙脱石(MMT)组成, 碳化钨呈颗粒状分散或呈层状负载于MMT外表面; 样品的晶相组成与其还原碳化时间有关; 样品的微结构特征与前驱体中钨与蒙脱石的比例有关. 采用三电极体系和循环伏安法测试了样品在酸性溶液中对甲醇的电催化氧化性能, 结果表明, 碳化钨与蒙脱石复合之后对甲醇的电催化性能明显提升, 并具有类铂电催化活性; 当钨与蒙脱石质量比为4 的前驱体经5 h 还原碳化后, 样品中WC占绝对主导, WC和W₂C的质量分数分别为82%和18%, 两者的比值为4.556, 且在MMT外表面形成均匀的负载层. 此时样品的电催化活性最高. 这为制备具有类铂催化活性的高性能碳化钨催化材料奠定了坚实基础.     

核壳结构碳化钨/碳化钨铁复合材料的制备与电催化活性

以铁黄为载体,偏钨酸铵为钨源,将直接包覆与原位还原碳化技术相结合制备了碳化钨/碳化钨铁复合材料.经X射线衍射(XRD)分析和透射电子显微镜(TEM)观察,复合材料的主要物相为碳化钨铁(Fe3W3C)、碳化钨(WC)和碳化二钨(W2C),且构成了以Fe3W3C为核、WC和W2C为壳的核壳结构.采用三电极体系循环伏安法测试了复合材料在酸性、中性和碱性体系中对甲醇的电催化氧化活性.结果表明,与颗粒状碳化钨和介孔空心球状碳化钨相比,复合材料的电催化活性有了明显的提高;进一步研究发现,复合材料的电催化活性不仅受到体系性质的影响,还与其物相组成和微结构相关.上述结果说明,通过控制复合材料的物相组成及微结构,以及反应体系的性质可实现对其电催化活性的调控;同时表明,核壳结构是提高碳化钨催化材料活性的有效途径之一.     

氢钼青铜对铂催化氧还原反应的促进作用

采用循环伏安法在玻碳电极上和硫酸溶液中电沉积制备出铂催化剂(Pt)及铂-氢钼青铜复合催化剂(Pt-HxMoO3), 用旋转圆盘电极研究并比较了它们对硫酸溶液中氧还原反应的催化活性. 研究结果表明, HxMoO3能明显地提高Pt对氧还原反应的电催化活性. 通过对静态电极上氧还原的峰电流与扫描速度的关系以及旋转圆盘电极上氧还原电流与旋转速度的关系的分析发现, HxMoO3提高了铂电极氧还原反应电荷传递步骤的传递系数, 因此加快了氧还原的动力学过程.     

二氧化钛与碳化钨纳米复合材料制备及其对甲醇的电催化氧化活性

以市售纳米二氧化钛(TiO2)为载体,六氯化钨为钨源,将浸渍法与原位还原碳化技术相结合制备了核壳结构碳化钨(WC)/TiO2纳米复合材料;应用X射线衍射分析、透射电子显微镜、高分辨扫描透射成像和X射线能量散射谱等手段对样品晶相、形貌、微结构和化学组成等特征进行了表征.结果表明,样品的晶相由金红石型TiO2、Ti4O7、WC、W2C和WxC构成,钨碳化物负载于钛氧化物外表面,构成比较典型的核壳结构.采用三电极体系和循环伏安法测试了样品在碱性溶液中对甲醇的电催化氧化活性,结果表明,相比于纯碳化钨和二氧化钛,复合材料的电催化活性得到了明显的提升.样品电催化活性的提升与前驱体钨钛摩尔比、还原碳化时间、核壳结构壳层的完整性和晶相组成以及核壳结构中二氧化钛和碳化钨之间的协同效应有关.这说明金红石是能够提升碳化钨电催化氧化活性的载体材料之一.     

碳化钨负载纳米铂催化剂的制备及其析氢催化性能

以喷雾干燥处理的偏钨酸铵为前驱体, 采用CH4/H2为还原碳化气氛, 利用固定床气固反应法制备了具有介孔结构的碳化钨(WC)粉体. 然后通过浸渍法制备了Pt/WC粉末催化剂. 通过XRD和SEM等测试手段对Pt/WC粉末样品进行了表征, 结果表明, Pt颗粒平均直径约为13.5 nm, 且均匀分散在介孔结构WC载体上. 采用循环伏安和线性扫描等方法研究了酸性介质中Pt/WC粉末微电极对电化学析氢过程的电催化行为. 结果表明, 该电极对析氢反应具有很好的电催化活性和化学稳定性. 通过测试和计算, Pt/WC粉末微电极的Tafel方程中的a值为0.292 V, 属于低超电势析氢材料, 析氢交换电流密度为4.42 mA·cm-2, 与铂电极在同一个数量级上, 当超电势为250 mV时, 其析氢反应的活化能为26.20 kJ·mol-1.     

碳化钨/碳化二钨核壳结构纳米复合材料的制备及电化学性能

以偏钨酸铵为钨源, 铁黄(FeOOH)为载体, 将表面包覆法与原位还原碳化技术相结合, 制备出了具有核壳结构的碳化钨(WC)/碳化二钨(W₂C)纳米复合材料; 应用X射线衍射(XRD)分析、透射电子显微镜(TEM)和X射线能量散射谱(EDS)等手段对不同阶段样品的晶相、形貌、微结构和化学组成等特征进行了表征. 结果表明, 负载体经煅烧后, 载体及包裹层的物相均发生了变化, 形貌也相应地发生了改变; 经盐酸处理及还原碳化后, 样品由WC和W₂C纳米颗粒构成, 并构成了以W₂C为壳, 以WC为核的典型核壳结构; 结合表征结果对核壳结构的形成机理进行了探讨. 采用三电极体系循环伏安法测试了样品在酸性、中性和碱性溶液中对甲醇的电催化氧化活性. 结果表明, 与颗粒状碳化钨和介孔空心球状碳化钨相比, 样品的电催化活性有了明显的提高. 这说明W₂C与WC构成核壳结构纳米复合材料后, 其电化学性能有了明显的提升, 核壳结构纳米复合材料是提高碳化钨催化材料活性的有效途径之一.     

甘氨酸修饰的Pt(111)电极上的氧还原

利用单晶旋转圆盘电极技术（Hanging Meniscus Rotating Disk Electrode,　HMRD）在硫酸和高氯酸溶液中分别研究了甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面氧分子的电催化还原反应. 实验发现：在硫酸溶液中,经甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面的氧还原活性明显提高,其中氧还原的半波电位与Pt(111)电极的相比正移约0.1 V,而在高氯酸溶液中,甘氨酸修饰的Pt(111)电极的活性几乎没有发生变化. 该实验结果表明：甘氨酸修饰的Pt(111)电极一方面抑制了SO₄^2-在电极表面的吸附,另一方面又能在电极表面提供相邻的空位供氧分子吸附. 通过与文献中报道的CN^-修饰的Pt(111)电极上的氧还原结果的对比,可以推测甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面氧还原活性提高是由于甘氨酸在Pt(111)表面可能先被氧化成CN^-后吸附在电极表面,进而促进了氧分子的电催化还原反应.     

酸性溶液中硝基苯在WC电极上的电化学还原

以聚四氟乙烯为粘接剂制成碳化钨(WC)电极.采用循环伏安法、线性扫描法和恒电位阶跃法研究了硝基苯在酸性溶液中WC电极上的电化学行为.实验表明:WC电极对硝基苯的还原具有较好的活性,电极过程受扩散和电化学步骤混合控制;表观活化能为23.7kJ·mol 1,其中,电化学步骤的活化能10.91kJ·mol 1.     

纳米晶碳化钨薄膜对硝基甲烷还原的电催化性能

采用磁控溅射物理气相沉积技术在金属镍基体上制备碳化钨纳米晶薄膜. 薄膜具有纳米晶结构, 由粒径为20~35 nm的晶粒构成, 晶粒分布均匀, 晶相结构为非化学计量比的碳化钨(WC1-x). 采用电化学方法研究硝基甲烷在纳米晶碳化钨薄膜电极上的电化学还原性能和反应机理. 实验结果表明, 碳化钨薄膜电极对硝基甲烷电化学还原反应具有较好的催化性能, 当电极电位为-0.89 V(vs.SCE)时, 硝基甲烷还原为甲基羟胺的电流达14.9 mA/cm2, 其反应表观活化能为12.3 kJ/mol. 硝基甲烷在碳化钨薄膜电极上经过一步不可逆的电化学反应还原成甲基羟胺, 其控制步骤是电极反应的电荷传递过程.      

中空介孔碳化钨微球载钯催化剂对甲酸电催化性能

采用喷雾干燥法和还原炭化处理制备具有中空介孔结构的碳化钨钴复合粉(HTCCS),其中,钴的质量含量为6%。在碳化钨钴复合粉表面的钴和氯化钯发生置换反应,得到纳米Pd/WC复合催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对样品的形貌和晶型结构进行了表征。结果表明, 5.0-6.0nm钯纳米粒子取代钴均匀分布在碳化钨微球表面。采用循环伏安和计时电流法研究了在酸性溶液中Pd/WC催化剂对甲酸的电催化氧化性能,结果表明,Pd/WC催化剂比Pd/C催化剂对甲酸呈现出更高的电催化氧化活性和稳定性。     

Synthesis of Ultrafine Mesoporous Tungsten Carbide by High‐energy Ball Milling and Its Electrocatalytic Activity for Methanol Oxidation

Ultrafine mesoporous tungsten carbide (WC) was prepared from as‐synthesized mesoporous WC using high‐energy ball milling treatment. X‐ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and nitrogen adsorption‐desorption techniques were used to characterize the samples. Brunauer‐Emmett‐Teller (BET) surface areas of WC samples increased with the increasing ball milling time and kept constant at 10–11 m²·g^?1 for over 9 h. The electrocatalytic properties of methanol electro‐oxidation at WC powder microelectrodes were investigated by cyclic voltammetry, chronoamperometry, and quasi‐steady‐state polarization techniques. The results reveal that ball‐milled WC exhibits higher activity for methanol electro‐oxidation than as‐synthesized mesoporous WC. The suitability of ball‐milled WC for methanol electro‐oxidation is better than platinum (Pt) micro‐disk, although the current peak is not as high as the Pt micro‐disk. Moreover, increasing the methanol concentration and reaction temperature promotes methanol electro‐oxidation on ultrafine mesoporous WC.     

超声辅助法制备双孔空心球状碳化钨及其电催化性能

采用超声空化辅助法制得空心球状结构偏钨酸铵(AMT),通过固定床气-固反应,以CO/H2为还原碳化气氛在700-900℃下制备得到了介孔结构空心球状碳化钨.并再次超声处理后分解球型结构得到条状介孔碳化钨.用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热重-差热分析(TG-DTA)、比表面测试(BET)和孔径分布测试(BJH)对样品进行了表征.结果表明,样品组成为单相碳化钨,且在空气中低于410℃时具有高稳定性并且具有4和22nm的双孔隙分布结构.将碳化钨粉末制成粉末微电极(PME),采用循环伏安(CV)技术研究了碳化钨在质子惰性介质中对硝基苯的电催化还原性能.结果表明,相比铂微盘电极,双孔结构碳化钨对硝基苯还原有着更好的电催化活性,在峰电位上比铂微盘正移了30mV,Ip-v1/2关系曲线显示硝基苯在粉末微电极中的还原行为受扩散控制.     

嵌段共聚物模板法一步制备WC/C基底电极材料

以酚醛树脂作为碳源,采用嵌段共聚物模板法一步制备新型有序介孔碳化钨/碳（WC/C）纳米颗粒. WC/C颗粒的比表面积为414 m²·g^-1,表面的平均孔径约为38 nm,处于介孔范围内（2 ~ 50 nm）. 通过调节树脂预聚时间以及碳化温度等条件制备出结构形貌较优的WC/C复合材料,并探讨了材料形成机理. 使用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜及氮气吸脱附等方法表征了复合材料的结构. 将贵金属铂负载于WC/C表面制备得新电催化材料Pt-WC/C,使用循环伏安法和计时电流法对Pt-WC/C复合材料的电化学性能进行检测,并与商用碳载铂（Pt/C）材料进行对比. 测试结果发现,Pt-WC/C对甲醇的电催化活性以及稳定性等方面都表现出优于商用Pt/C材料的活性,这主要归功于碳化钨高度分散于碳表面.     

碳化钨在对硝基苯酚电还原过程中的电催化行为

以碳化钨(WC)粉末为电催化材料制成了碳化钨粉末微电极(WC-PME). 采用循环伏安和线性扫描等方法研究了酸性溶液中对硝基苯酚(PNP)在WC-PME上的电还原行为. 研究表明, 在相同测试条件下, PNP在WC-PME上电还原的电位比Cu-Hg微电极正得多；WC-PME对氢具有较强的吸附能力, 有利于有机物的电还原反应. PNP在WC-PME上和Pt微电极上的还原电位相近, 但在WC-PME上的峰电流比在Pt微电极上高5倍多, 这主要与WC粉末的结构形貌有关.     

Pt/WC/TiO2催化剂的制备及其电催化性能研究

以TiO2为载体制备了Pt/WC/TiO2三元复合催化剂,并由XRD、SEM和TEM等表征催化剂样品的形貌和结构特征.用循环伏安法测定了三元复合催化剂在酸性条件下对甲醇氧化的电催化性能,并将其与二元复合催化剂Pt/TiO2和Pt/WC的电催化性能进行比较.结果表明：三元复合催化剂具有更好的催化活性.进一步研究了二氧化钛晶相对Pt/WC/TiO2催化剂电催化活性的影响.     

碱处理对PtRu/WC电极材料结构及甲醇电催化氧化性能的影响

本文采用不同pH值的KOH溶液对WC材料进行了不同时间的碱处理,并以该WC为载体通过微波加热还原法制备PtRu/WC 复合材料. 采用XRD对材料进行结构表征,通过循环伏安法和计时电流法测试电极对甲醇的电催化氧化性能. 结果表明,经不同碱性条件处理的WC材料表面更易于铂钌的负载,其中经强碱（pH = 14）的KOH溶液处理后可在WC表面得到结晶度最好的铂钌合金,且所得电催化剂PtRu/WC电极的性能最佳,而经碱处理5 h的WC负载的PtRu/WC电极对甲醇氧化的效果最优.     

介孔结构空心球状WC粉体催化剂的制备与表征

以偏钨酸铵为钨源, CO为还原性气体和碳源, 采用喷雾干燥微球化处理—气固反应法制备了具有介孔结构空心球状的WC粉体. 采用XRD, SEM, EDS和TG-DTA等分析手段对样品的形貌、物相组成、化学成分以及在空气中的热稳定性进行了表征. 结果表明, 碳化钨粉体为缺碳含氧的WC相, 化学成分为W, C, O, W与C的原子比接近1∶1; 碳化钨颗粒为分散性良好的空心球状, 表面具有介孔结构; TG-DTA曲线表明, 样品在空气中具有良好的热稳定性.