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碳化钨-石墨烯插层复合物的制备及作为甲醇氧化助催化剂的性能研究
引用本文:施梅勤,章文天,李影影,褚有群,马淳安.碳化钨-石墨烯插层复合物的制备及作为甲醇氧化助催化剂的性能研究[J].催化学报,2016(11):1851-1859.
作者姓名:施梅勤  章文天  李影影  褚有群  马淳安
作者单位:浙江工业大学化学工程学院,绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地,浙江杭州 310032
基金项目:the International Science&Technology Cooperation Program of China(2010DFB63680),the National Natural Science Foundation of China(21376220),Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (LY16B060009;LY12B03008).基金来源:中国国际科技合作项目(2010DFB63680),国家自然科学基金(21376220),浙江省自然科学基金(LY16B060009
摘    要:直接甲醇燃料电池(DMFCs)作为一种环境友好、高效的新能源,对解决世界目前面临的“能源危机”与“环境危机”这两大问题有着至关重要的意义,具有较广阔的应用前景.目前,甲醇氧化催化剂仍然以 Pt基为主,但是 Pt价格昂贵,且容易受甲醇氧化中间产物的毒化,从而影响了 DMFCs的商业化进程.碳化钨(WC)作为非贵金属催化剂,在催化方面具有类铂的性能.在 WC上负载适量的 Pt,可以通过两者的协同效应加强催化剂的抗 CO中毒能力.但是,由于 WC的导电性能不佳,比表面积较小,因此寻找合适的载体显得尤为必要.在碳载体中,石墨烯(RGO)具有优良的导电性以及独特的片层结构,是电催化剂的理想载体.以 RGO为载体, WC为插层物质制备的 WC-RGO插层复合物具有化学稳定性好、电导率高且电化学活性面积大等优势.但是,由于石墨烯表面光滑且呈惰性,同时使用传统的碳化方法制备的碳化钨颗粒较大,因此,制备较小颗粒且分散均匀的 WC-RGO插层复合物具有较大难度.一般以偏钨酸铵和氧化石墨烯(GO)为前驱体制备 WC-RGO插层复合物,但是由于偏钨酸根和 GO都带负电,因此不能成功地将偏钨酸根引入到石墨烯的片层结构中,造成 WC-RGO插层复合物组装上的困难.本文采用硫脲成功地合成了具有高分散性 WC纳米颗粒插层在少层 RGO里的 WC-RGO插层复合物.硫脲((NH2)2CS)作为阴离子接受器,具有较强的结合阴离子形成稳定复合物的能力,同时它也是合成具有片层结构的过渡金属硫化物的原料之一.因此在 WC-RGO插层复合物组装过程中,硫脲既作为锚定及诱导剂,又是制备片层二硫化钨(WS2)的硫源.材料具体制备方法如下:首先利用浸渍法,将偏钨酸根阴离子(H2W12O40]6?)牵引到(NH2)2CS改性过的 GO上形成H2W12O40]6?-(NH2)2CS-GO前驱体;然后将前驱体放入管式炉中还原碳化,前驱体先反应生成 WS2;由于 WS2自身的2D片层结构,反应中可以得到 WS2-RGO插层复合物,接着原位碳化生成 WC-RGO插层复合物.碳化钨-石墨烯负载铂电催化剂(Pt/WC-RGO)通过微波辅助法制得,并采用 X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜及激光拉曼光谱等手段对其结构与形貌进行了表征.结果显示,在 WC-RGO插层复合物中, WC的平均粒径为1.5 nm, RGO的层数约为5层.在甲醇电氧化反应中,相比于商用 Pt/C催化剂, Pt/WC-RGO插层复合物催化剂具有更高的电化学活性面积(ECSA)和较高的峰电流密度(246.1 m2/g Pt,1364.7 mA/mg Pt),分别是 Pt/C的3.66和4.77倍.我们分别利用 CO溶出伏安法、计时电流法及加速耐久性试验法验证了 Pt/WC-RGO催化剂优秀的抗 CO中毒能力及稳定性. Pt/WC-RGO催化剂特殊的插层结构,在增加 WC与 Pt接触机会以加强协同作用的同时,促进了催化过程中质量及电荷的转移,因而具有比 Pt/C更高的催化活性.可见,通过制备WC-RGO插层复合物可降低 Pt用量,从而大大地降低燃料电池中电催化剂的成本.同时,我们使用的是一种高效,可大批量生产纳米材料的方法,有助于催化剂的商业化.

关 键 词:碳化钨-石墨烯  插层复合物  硫脲  锚定  甲醇氧化

Tungsten carbide-reduced graphene oxide intercalation compound as co-catalyst for methanol oxidation
Meiqin Shi,Wentian Zhang,Yingying Li,Youqun Chu,Chun’an Ma.Tungsten carbide-reduced graphene oxide intercalation compound as co-catalyst for methanol oxidation[J].Chinese Journal of Catalysis,2016(11):1851-1859.
Authors:Meiqin Shi  Wentian Zhang  Yingying Li  Youqun Chu  Chun’an Ma
Abstract:Highly dispersed tungsten carbide (WC) nanoparticles (NPs) sandwiched between few‐layer re‐duced graphene oxide (RGO) have been successfully synthesized by using thiourea as an anchoring and inducing reagent. The metatungstate ion, H2W12O40]6?, is assembled on thiourea‐modified gra‐phene oxide (GO) by an impregnation method. The WC NPs, with a mean diameter of 1.5 nm, are obtained through a process whereby ammonium metatungstate first turns to WS2, which then forms an intercalation compound with RGO before growing, in situ, to WC NPs. The Pt/WC‐RGO electro‐catalysts are fabricated by a microwave‐assisted method. The intimate contacts between Pt, WC, and RGO are confirmed by X‐ray diffraction, scanning electron microscope, transmission electron microscope, and Raman spectroscopy. For methanol oxidation, the Pt/WC‐RGO electrocatalyst ex‐hibited an electrochemical surface area value of 246.1 m2/g Pt and a peak current density of 1364.7 mA/mg Pt, which are, respectively, 3.66 and 4.77 times greater than those of commercial Pt/C electrocatalyst (67.2 m2/g Pt, 286.0 mA/mg Pt). The excellent CO‐poisoning resistance and long‐term stability of the electrocatalyst are also evidenced by CO stripping, chronoamperometry, and accelerated durability testing. Because Pt/WC‐RGO has higher catalytic activity compared with that of commercial Pt/C, as a result of its intercalated structure and synergistic effect, less Pt will be required for the same performance, which in turn will reduce the cost of the fuel cell. The present method is facile, efficient, and scalable for mass production of the nanomaterials.
Keywords:Tungsten carbide-reduced  graphene oxide  Intercalation compound  Thiourea  Anchoring  Methanol oxidation
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