氧化钨水合物和碳化钨的制备、表征及电化学性能

氧化钨水合物和碳化钨的制备、表征及电化学性能

纳米钨基材料由于具有高熔点和结构稳定性,在能源、化工、合金、催化等众多领域有着巨大的应用潜力。低温燃烧合成是近年来发展迅速的一种制备纳米材料的新的湿化学方法,具有简便、快捷、能耗和成本低等诸多优点。本论文将低温燃烧合成方法应用于氧化钨水合物和碳化钨基材料的制备。主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过溶液燃烧合成-水热法制备了具有六方晶体结构的

WO390.33H2O/C复合材料,并且把它第一次用作锂离子负极材料。碳层均匀的包覆在WO3·0.33H20纳米颗粒的表面,制备的

WO3·0.33H2O/C电极循环200次后在电流密度为100 mA·g-1表现出了 一个高的可逆的容量,为768 mAh g-1,这个容量高于已经报道的正交晶系的WO3·0.33H2O。这个特殊的结构能够提供有效地孔道用于Li+的传输,因此,六方的WO3·0.33H2O/C表现出了一个作为锂离子负极材料的潜力。(2)通过一次低温燃烧合成方法直接制备了不同碳含量的WO3·0.33H2O/C复合材料用于锂离子电池负极材料。电化学性能测试表明了通过包覆适合的碳层厚度,WO3·0.33H2O/C电极的锂离子存储性能得到了很大的提高,在电流密度为100 mA.g-1时循环200次后,表现出了一个可逆的充放电容量为816 mAh·g-1。长的循环稳定性和优异的倍率性能归因于适合的无定形碳层提供了良好的导电性,同时特殊的六方结构也提供了高效的传输通道。(3)碳化钨纳米粉末通过低温燃烧合成的方法制备,并用来作为气体扩散电极的催化剂,所制备的碳化钨粉末平均颗粒尺寸为200 nm,研究了 C/W摩

尔比对于碳化钨形成的影响和碳含量对于完全碳化温度的影响。碳化钨的合成温度最优为1100 ℃,最优的C/W摩尔比为19/3。经过氧化还原反应(ORR)测试,可以得到采用碳化钨催化剂制备的气体扩散电极在对电极为氧化汞时,在过电位为0.4V条件下电流密度为350 mA·cm-2。通过和商用Pt进行对比,碳化钨表现出了一个优异的催化性能。(4)通过改变完全碳化温度,所制备的碳化钨具有不同的游离碳含量。随着碳化温度的升高,游离碳含量也随之增加。对不同温度制备的碳化钨进行ORR测试,结果表明当无定形碳含量为0.98 wt%时,所得到的碳化钨催化剂具有最优的催化性能,这是由于合适的碳含量能够提高电导率和碳化钨颗粒的分散性,同时能够提供更多的活性位点。(5)通过化学还原方法,把贵金属铂催化剂还原到碳化钨表面,所制备的复合催化剂具有均匀的颗粒尺寸。由于无定形碳包覆在制备的样品表面,使得其在Pt/WC催化剂中扮演了一个重要的角色,提高了 WC和Pt的协同效应。对其进行析氢反应(HER)性能测试,所制备的Pt/WC复合催化剂在酸性溶液中表现出了一个高的催化活性,均高于WC和商用Pt/C催化剂。研究表明了游离碳的存在能有效的提高Pt/WC催化剂的协同作用,提高其催化活性。(6)对于贵金属复合催化剂来说,降低Pt的负载量和提高Pt颗粒固定的稳定性是面临的一个主要问题。我们通过半燃烧合成的方法,制备了可规模化生产和厚度可控的双核壳结构的WC@C@Pt催化剂。通过调节前驱体中碳的含量,使得生成的碳化钨表面的碳层厚度以及Pt颗粒嵌入碳层的深度得到了有效的控制。碳层能够固定Pt颗粒从而提高其导电性。这个特殊的结构保持

了一个高效和稳定的催化过程,导致了低的过电位和小的塔菲尔斜率,使其具有良好的析氢催化性能。