微波合成Pt/WC催化剂及其对甲醇的电催化性能

分别采用微波加热乙二醇还原法(MW)和浸渍还原法(IR)制备以碳化钨(WC)为载体的Pt/WC催化剂, 并分别标记为: MW-Pt/WC及IR-Pt/WC. 用XRD、SEM对两种方法制备的复合材料的结构与形貌进行表征. 循环伏安测试结果表明MW-Pt/WC催化剂在酸性条件下的甲醇氧化性能比IR-Pt/WC催化剂更优, 表现在同一电位下MW-Pt/WC催化剂具有更高的电流且其氧化起始电位负移约30 mV, 还具有更大的电化学比表面积. 此外计时电流法实验结果表明MW-Pt/WC催化剂的稳定性高于IR-Pt/WC催化剂.     

核壳结构碳化钨复合微球催化剂对甲醇电催化性能

以偏钨酸铵微球为前驱体,在不同反应时间和CO/CO₂气氛条件下,通过原位还原碳化反应制备了具有核壳结构碳化钨复合微球。采用X射线粉末衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电镜（SEM）等对催化剂的形貌和结构进行了表征分析。硼氢化钠还原法将平均粒径为4.6 nm的Pt纳米粒子均匀分布在其表面,得到核壳结构碳化钨复合催化剂。采用循环伏安和计时电流法研究了在酸性溶液中催化剂对甲醇的电催化氧化性能。结果表明,与Pt/WC-15 h和JM Pt/C催化剂的电化学性能相比,Pt/WC-6 h催化剂对甲醇呈现出更高的电催化氧化活性和稳定性。碳化钨复合微球表面少量WO₂成分的存在有利于甲醇在其表面的电催化氧化过程的发生。     

铂银合金的制备及其对甲醇电氧化反应的催化性能

采用一种无需使用任何有机表面活性剂或溶剂的方法，在熔融盐体系中制备了铂银纳米合金颗粒，考察了合金中元素银对碱性电解质中甲醇电氧化反应（MOR）的催化作用。透射电子显微镜表征结果显示，当前躯体铂银物质的量比为1时，可以得到组成为Pt₅₂Ag₄₈的合金纳米管。甲醇电氧化反应测试结果表明，具有干净表面的Pt₅₂Ag₄₈纳米管比常规的Pt黑具有更好的催化性能。Pt₅₂Ag₄₈合金纳米管的催化活性与其最大正扫电位密切相关，正扫电位从-1.0到0.5 V（vs.SCE），MOR峰值电流达到1.61 mA/μg_Pt，是从-1.0到0.1 V（vs.SCE）正扫电位的1.92倍。铂银合金表面层中的Ag元素主要通过在电化学循环中发生氧化还原反应来促进合金的MOR活性。研究结果可以为铂银合金在直接甲醇燃料电池（DMFC）中的应用提供理论支持。     

三维氮掺杂石墨烯气凝胶负载钴酞菁作为高效的氧气还原反应催化剂

通过两步溶剂热法制备得到三维氮掺杂石墨烯与吡啶氧基钴酞菁的复合材料(CoTPPc/NGA).该复合材料具有优良的氧气还原性能,在起峰电位和半波上接近商业化的铂碳催化剂(Pt/C),且在稳定性和抗甲醇性能上优于铂碳催化剂,有望代替铂碳催化剂成为碱性直接甲醇燃料电池的阴极催化剂.     

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.     

氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能

采用高温热解聚苯胺修饰的氧化石墨烯（PANI-GO）,得到了氮掺杂的还原氧化石墨烯碳材料（N-RGO）,以其负载Pt 制备了Pt/N-RGO纳米结构电催化剂. 采用透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）谱及拉曼光谱等技术对N-RGO和Pt/N-RGO的形貌及结构进行了表征,用循环伏安、计时电流等电化学技术研究了Pt/N-RGO电极催化剂对CO溶出反应和甲醇电氧化反应的催化性能. 结果表明：高温热解PANIGO可同时实现GO的还原及其氮掺杂的过程,氮掺杂引起还原氧化石墨烯碳材料表面缺陷结构和导电性的增加;与相应的未掺杂氮样品Pt/RGO相比较,Pt/N-RGO样品上Pt 颗粒的分散更均匀,显示出更强的抗CO毒化能力和更高的甲醇电氧化催化活性及稳定性.     

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.     

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（英文）

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((NH_2)_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(WS_2)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([H_2W_(12)O_(40)]~(6-))牵引到(NH_2)_2CS改性过的GO上形成[H_2W_(12)O_(40)]~(6-)-(NH_2)_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WS_2;由于WS_2自身的2D片层结构,反应中可以得到WS_2-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 m~2/g Pt,1364.7 m A/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.     

介观结构氮掺杂碳纳米笼负载铂-钌合金催化剂的优异甲醇电氧化性能

利用氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）的高比表面积及掺杂氮原子的锚定作用,方便地将约3 nm的Pt-Ru合金纳米粒子均匀地负载在hNCNC表面,制得了Pt和Ru比例可调的Pt-Ru/hNCNC双金属合金催化剂.这些催化剂展现出优异的甲醇催化氧化活性和稳定性,且具有良好的抗CO中毒能力,显著优于Pt/hNCNC和商业PtRu/C等对照组催化剂.其优异的电化学性能可归因于以下因素的协同作用：（1） Pt-Ru合金的双功能机制增强了催化剂的CO氧化脱附能力从而使活性位重新暴露,（2） hNCNC的氮掺杂及高比表面积有利于获得粒径小且均匀的合金纳米粒子,（3） hNCNC的多尺度分级孔结构有利于甲醇等参与反应物质的传输.     

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

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.     

Investigation of Platinum Dispersed on Reduced Graphene Oxide‐supported Tungsten Carbide via Sacrificial Cu Adlayers for Methanol Oxidation

Reduced graphene oxide‐supported tungsten carbide composite (WC/RGO) was prepared by program‐controlled reduction‐carburization technique. Scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) show that WC nanoparticles with a narrow distribution (10–20 nm) are highly dispersed both on the edge and between the layers of RGO. And then it was used as a support to load different low contents (no more than 0.4 wt%) of Pt via sacrificial Cu adlayers. The morphology and the electrocatalytic activity of the prepared catalysts were characterized by TEM and cyclic voltammograms (CV), respectively. The results indicate that a small amount of isolated Pt atoms show low or even no activity for methanol oxidation. With the increasing deposition cycles, the content of Pt and the ensembles of neighboring Pt atoms are increased, which makes the onset potential shift negatively and mass current density increase. The results demonstrate that controllable amount of Pt can be deposited on WC/RGO by galvanic displacement with Cu, and the extent and domain of Pt loading affect the electrochemical performance. Meanwhile, this research also provides another route to prepare a catalyst with ultra low noble metal on WC/RGO for solving the problem of high cost of the catalyst.     

Platinized mesoporous tungsten carbide for electrochemical methanol oxidation

Mesoporous WC with hexagonal crystal structure was synthesized by a surfactant-assisted polymer method. A new electrocatalyst composed of a small amount of Pt supported on the mesoporous WC exhibited higher activity for electrooxidation of methanol than microporous Pt/WC or Pt/W₂C as well as commercial Pt–Ru(1:1)/C catalysts. The mesoporosity and the phase of WC appear important for the high activity. Compared to the commercial Pt–Ru/C catalyst, the Pt/WC (mesoporous) showed the higher activity per mass of Pt by a factor of six even without Ru. Since the catalyst is also stable in electrochemical environment, it could become an alternative electrocatalyst for direct methanol fuel cells.     

Small‐Sized and Contacting Pt–WC Nanostructures on Graphene as Highly Efficient Anode Catalysts for Direct Methanol Fuel Cells

The synergistic effect between Pt and WC is beneficial for methanol electro‐oxidation, and makes Pt–WC catalyst a promising anode candidate for the direct methanol fuel cell. This paper reports on the design and synthesis of small‐sized and contacting Pt–WC nanostructures on graphene that bring the synergistic effect into full play. Firstly, DFT calculations show the existence of a strong covalent interaction between WC and graphene, which suggests great potential for anchoring WC on graphene with formation of small‐sized, well‐dispersed WC particles. The calculations also reveal that, when Pt attaches to the pre‐existing WC/graphene hybrid, Pt particles preferentially grow on WC rather than graphene. Our experiments confirmed that highly disperse WC nanoparticles (ca. 5 nm) can indeed be anchored on graphene. Also, Pt particles 2–3 nm in size are well dispersed on WC/graphene hybrid and preferentially grow on WC grains, forming contacting Pt–WC nanostructures. These results are consistent with the theoretical findings. X‐ray absorption fine structure spectroscopy further confirms the intimate contact between Pt and WC, and demonstrates that the presence of WC can facilitate the crystallinity of Pt particles. This new Pt–WC/graphene catalyst exhibits a high catalytic efficiency toward methanol oxidation, with a mass activity 1.98 and 4.52 times those of commercial PtRu/C and Pt/C catalysts, respectively.     

Small-sized and contacting Pt-WC nanostructures on graphene as highly efficient anode catalysts for direct methanol fuel cells

The synergistic effect between Pt and WC is beneficial for methanol electro-oxidation, and makes Pt-WC catalyst a promising anode candidate for the direct methanol fuel cell. This paper reports on the design and synthesis of small-sized and contacting Pt-WC nanostructures on graphene that bring the synergistic effect into full play. Firstly, DFT calculations show the existence of a strong covalent interaction between WC and graphene, which suggests great potential for anchoring WC on graphene with formation of small-sized, well-dispersed WC particles. The calculations also reveal that, when Pt attaches to the pre-existing WC/graphene hybrid, Pt particles preferentially grow on WC rather than graphene. Our experiments confirmed that highly disperse WC nanoparticles (ca. 5?nm) can indeed be anchored on graphene. Also, Pt particles 2-3?nm in size are well dispersed on WC/graphene hybrid and preferentially grow on WC grains, forming contacting Pt-WC nanostructures. These results are consistent with the theoretical findings. X-ray absorption fine structure spectroscopy further confirms the intimate contact between Pt and WC, and demonstrates that the presence of WC can facilitate the crystallinity of Pt particles. This new Pt-WC/graphene catalyst exhibits a high catalytic efficiency toward methanol oxidation, with a mass activity 1.98 and 4.52 times those of commercial PtRu/C and Pt/C catalysts, respectively.     

片层WC/C的原位合成及其在甲醇氧化中的应用

以片层二硫化钨(WS2)为前驱体,氯化钠(Na Cl)为介质,CO为气体碳源,采用程序升温法一步合成片层碳化钨/碳复合材料(WC/C)。通过X射线衍射(XRD),X射线近边吸收谱(XANES)和扫描电镜(SEM)等一系列手段对样品的化学组成、形貌、结构等进行表征。研究发现,在高温渗碳过程中,不仅利用WS2的片层结构和Na Cl的锚定作用合成了具有薄层孔洞的WC,而且Na Cl和WS2金属面对碳膜生长的催化作用使WC表面覆有原位生长的碳膜,为电子传输提供了有效通道。将该材料作为载体材料进行电化学性能测试,结果表明:负载少量Pt后制得的Pt/WC/C电催化剂,在甲醇氧化反应(MOR)中表现出良好的电催化活性、稳定性及优异的抗CO中毒能力。     

具有高活性和突出的抗中毒性能的Pt修饰Ru/C催化剂的制备和表征(英文)

采用两步浸渍-还原法制备了一种具有高Pt利用效率,高性能的Pt修饰的Ru/C催化剂(Ru@Pt/C).对于甲醇的阳极氧化反应,该催化剂的单位质量铂的催化活性分别为Pt/C、自制PtRu/C和商业JMPtRu/C催化剂的1.9、1.5和1.4倍;其电化学活性比表面积分别为Pt/C和自制PtRu/C的1.6和1.3倍.尤为重要的是该催化剂对甲醇氧化中间体具有很好的去除能力,其正向扫描的氧化峰的峰电流密度(If)与反向扫描氧化峰的峰电流密度(Ib)之比可高达2.4,为Pt/C催化剂的If/Ib的2.7倍,表明催化剂具有很好的抗甲醇氧化中间体毒化的能力.另外,Ru@Pt/C催化剂的稳定性也高于Pt/C、自制PtRu/C和商业JMPtRu/C催化剂的稳定性.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征,Pt在Ru表面的包覆结构得到了印证.Ru@Pt/C的高铂利用效率、高性能和高抗毒能力使其有望成为一种理想的直接甲醇燃料电池电催化剂.     

硼掺杂碳化硅负载Pt催化剂的甲醇电催化氧化性能

以硼掺杂碳化硅(B0.1SiC)为载体,采用循环伏安法在B0.1SiC载体上电沉积Pt纳米粒子制备了Pt/B0.1SiC催化剂。利用X射线光电子能谱、X射线衍射、氮气吸附-脱附、扫描电镜及透射电镜等测试方法对催化剂的晶型、表面性质及形貌进行了表征。结果表明,硼原子掺杂进入SiC晶格并取代了Si位点,使B0.1SiC载体的导电性增强;Pt纳米粒子均匀地分布在B0.1SiC载体上,平均粒径为2.7 nm。与相同条件下制备的Pt/SiC催化剂相比,Pt/B0.1SiC具有较大的电化学活性表面积、更高的甲醇催化氧化活性和稳定性。