氧化钨/ZIFs衍生碳作为清洁燃料电池催化剂的研究

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大量利用化石能源满足工业进步的同时,地球环境逐渐恶化。在这种紧迫的形式下,开发新能源应运而生。在商业上直接甲醇燃料电池(DMFC)从发现就已显示出良好的发展前景,其具有的能量密度高、易于储存和处理、价格低廉、操作简便和零排放以及甲醇可以从可再生资源中提取等优点,被视为是化石类能源值得追求的替代品。实际工作中DMFC的效能主要被阴极和阳极的两个重要反应,氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)所定夺。但是,DMFC商业化发展中存在尚未解决的技术问题,因此开发环保高效廉价的催化剂是打开市场的关键。将研究并制备DMFC双功能催化剂载体定为目标,制得具有高稳定性的MOR和ORR助催化活性的Pt基载体。本文选择了极具价格优势的非贵金属氧化物中的氧化钨(W24O68和WO3)为对象,通过多种检测仪器对其进行表征,如扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)等表征方法考察了所研究复合材料的物理和化学特征,同时使用循环伏安法(CV),计时电流法(CA)等电化学测试手段探讨其MOR与ORR电化学性能与反应机理。在这项研究中,采用新的合成路线,制备碳化钨/氧化钨/沸石咪唑酸酯骨架(Z IF-8)-衍生的碳((WC)/W24O68/NCZ8复合材料作为Pt-载体/助催化剂。控制最终煅烧温度以调节(WC)/W24O68/NCZ8的结构和结晶相。对于MOR,Pt-WC/W24O68/NC Z8的质量活度(2492.2m A·mgPt-1)(850℃,5.0wt.%)远远优于商业Pt/C(499.2m A·mgPt-1,10.0wt.%)。NCZ8薄层有助于W原子的渗碳作用(W24O68到WC)以形成WC/W24O68异质结。W24O68上的氧空位吸引H+,从而促进了钨青铜化合物的形成(HyWO3,(024O68和HyWO3(024O68/NCZ8(850°C)在酸性介质中也比Pt/C表现出更高的ORR活性。WC/W24O68异质结加速了ORR混合晶体界面的质量和电荷转移。此外,在这项研究中首次合成了Co WO4/WO3/ZIF-8@ZIF-67衍生的氮掺杂碳-碳纳米管(Co WO4/WO3/ZNC-CNT)复合材料,并通过硼氢化钠还原法制备完成了Pt-Co WO4/WO3/ZNC-CNT复合材料。Pt-Co WO4/WO3/ZNC-CNT表现出相当高的质量活性(2208m A·mg-1Pt),是Pt/C(659.4m A·mg-1Pt)的3.34倍,因为Pt与WO3因氢溢出效应生成的HxWO3极有效的增强了甲醇氧化的脱氢步骤,赋予其更高的MOR活性。Co WO4/WO3在碳层(ZNC)的保护下同步增强了导电性能和Pt与载体的强金属-载体相互作用,有益于提高电化学活性和CO耐受性。同时,Pt-Co WO4/WO3/ZNC-CNT-850展现了极好的ORR催化性能,这应得益于氧化钨物种创造的更多氧空位以增加活性位点。这表明Co WO4/WO3/ZNC-CNT可作为MOR/ORR中Pt载体/助催化剂继续研究发展。本文通过实验研究讨论用于DMFC阳极和阴极的双功能催化剂载体材料(WC)/W24O68/NCZ8和Co WO4/WO3/ZNC-CNT,并对其性能,原理等进行了阐述。合理推测本文的材料有成为商业MOR/ORR电催化剂的可能,有继续作为Pt载体/助催化剂的发展潜力。
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