碳化钨/碳复合材料的同步制备及电催化甲醇氧化性能研究

摘要

碳化钨具有独特的类铂催化活性、酸碱介质中的稳定性、抗CO气体中毒等特性，被广泛应用于催化加氢、脱氢、异构化，燃料电池等领域。例如，在甲醇燃料电池中，碳化钨单独对甲醇的催化能力远小于Pt，但由于碳化钨的参与可以有利于CO等中间产物在Pt上的脱附，因而大大提高了贵金属的催化活性与稳定性，降低了贵金属的用量。所以，合成碳化钨或碳化钨复合物具有十分重要的意义。 本文采用具有可调极性官能团的离子交换树脂作为廉价碳源，基于离子交换树脂可以与一种或多种金属离子同时配位的原理，引入WO42—和[Fe(CN)6]4—离子作为钨源和石墨催化剂，经过惰性气氛下碳化，同步制备碳化钨/石墨碳(WC/GC)纳米复合物。通过调控金属离子的种类，单独交换WO42—和[Fe(CN)6]4制备了碳化钨/无定性碳(WC1—x/AC)和石墨碳纳米结构。通过XRD、Raman、TEM、TG—IR、BAS100等物理和化学表征，测试手段研究了各种产物的晶相、形貌、相变以及其在甲醇燃料电池(DMFC)中的应用。实验结果证明，由于树脂具有丰富的孔道结构和均质的交联基团，在锚合金属离子原位提供碳源的同时对纳米粒子的生长发挥了限域作用，因此复合物中碳化钨纳米粒子均匀分散并和碳相紧密结合。制得的材料可以作为载体成功应用于DMFC并表现出了优越的载体效应，对燃料电池的商业化具有潜在的应用价值。同时这种原位同步合成路线，方法简单，易于操作，原料廉价，为合成碳化钨/碳复合材料及更多碳基复合材料提供了崭新途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2碳化钨催化剂概述

1.2.1碳化钨催化剂研究进展

1.2.2碳化钨的结构

1.2.3碳化钨的合成方法

1.2.4碳化钨基复合物的研究

1.3碳化钨和碳化钨基复合物的应用

1.3.1催化加氢、脱氢反应

1.3.2烷烃催化重整反应

1.3.3催化分解反应

1.3.4催化合成气反应

1.3.5甲醇燃料电池电催化反应

1.4选题背景及国内外研究现状

1.4.1选题背景

1.4.2国内外研究现状

1.5研究课题来源

1.6本课题的研究内容

第2章实验材料和表征方法

2.1实验试剂

2.2实验仪器

2.3表征方法

2.3.1广角X射线粉末衍射(XRD)

2.3.2拉曼光谱(Raman)

2.3.3透射电子显微镜(TEM)

2.3.4热重-红外联用仪(TG-IR)

2.3.5电化学分析测试

第3章 丙烯酸系阴离子交换树脂为碳源同步制备碳化钨/碳复合物

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1碳化钨/非晶碳(WC1-x/AC-PA)的制备

3.2.2石墨碳(GC-PA)的制备

3.2.3碳化钨/石墨碳(WC/GC-PA)的制备

3.3结果与讨论

3.3.1碳化钨/非晶碳(WC1-x/AC-PA)样品组成分析

3.3.2碳化钨/非晶碳复合物(WC1-x/AC-PA)晶相演变分析

3.3.3碳化钨/非晶碳(WC1-x/AC-PA)形貌表征

3.3.4石墨碳(GC-PA)样品的表征

3.3.5碳化钨/石墨碳(WC/GC-PA)样品的组成分析

3.3.6碳化钨/石墨碳(WC/GC-PA)晶相演变分析

3.3.7碳化钨/石墨碳(WC/GC-PA)样品的形貌表征

3.4本章小结

第4章 苯乙烯系阴离子离子交换树脂为碳源同步制备碳化钨/碳复合物

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1碳化钨/非晶碳(WC1-x/AC-PS)的制备

4.2.2石墨碳(GC-PS)样品的制备

4.2.3碳化钨/石墨碳(WC/GC-PS)的制备

4.3结果与讨论

4.3.1碳化钨/非晶碳(WC1-x/AC-PS)样品组成与形貌

4.3.2 WC1-x/AC-PS复合物晶相演变分析

4.3.3石墨碳(GC-PS)样品的表征

4.3.4碳化钨/石墨碳复合物(WC/GC-PS)的组成分析

4.3.5碳化钨/石墨碳复合物(WC/GC-PS)晶相演变分析

4.3.6碳化钨/石墨碳复合物(WC/GC-PS)样品的形貌表征

4.4本章小结

第5章 碳化钨/碳复合物作为催化剂载体在DMFC中的应用

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1甲醇燃料电池(DMFC)阳极催化剂的制备

5.2.2催化反应电极的制备

5.2.3循环伏安(CV)测试

5.2.4计时安培(CA)测试

5.2.5电化学交流阻抗(EIS)测试

5.3结果与讨论

5.3.1 WC1-x/AC-PA与GC-PA负载Pt催化甲醇电氧化性能研究

5.3.2 WC/GC-PA负载Pt催化甲醇电氧化性能研究

5.3.3 WC1-x/AC-PS与GC-PS负载Pt催化甲醇电氧化性能研究

5.3.4 WC/GC-PS负载Pt催化甲醇电氧化性能研究

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果