[发明专利]一种替位掺杂WO3电催化剂的制备方法

说明书

本发明提供一种替位掺杂WO₃电催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：a)制备前驱体：b)制备前驱体‑煅烧；c)制备中间相材料‑非金属掺杂；d)把已经制备好的中间相材料b‑WO₃微球和适量的H₂PtCl₆一起分散到50ml水中形成悬浮液；进行剧烈的搅拌下，然后把新制的NaBH₄溶液逐滴的加入到上述溶液中，边滴边搅拌，然后过滤、用去离子水洗涤、真空干燥箱干燥，得到替位掺杂Pt/b‑WO₃催化剂。本发明针对目前WO₃作为DMFC催化剂的载体存在导电性差的缺点，通过非金属原子替位掺杂方式调控WO₃的电子结构，同时形成可促进质子嵌脱的微观孔道结构，从而达到加快甲醇氧化动力学过程的目的，提高催化效率。

【技术领域】

本发明属于电催化合成技术领域，具体涉及一种替位掺杂WO₃电催化剂的制备方法。

【背景技术】

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有运行温度低、能量密度高、液体燃料易封装携带等优点，在便携式电子设备和汽车等领域具有广阔的应用前景。目前DMFC距离大规模商业化应用还有一些距离，主要是因为Pt基阳极催化剂仍然存在甲醇氧化动力学缓慢、贵金属易中毒和碳载体易氧化等缺点。自从1969年Hobbs和Tseung教授首次报道Pt和WO₃之间存在氢溢流效应和双功能作用机理以来，WO₃作为一种能够替代炭黑的催化材料而被广泛研究。作为DMFC催化剂的载体，WO₃必须具备较大的比表面积、适当的孔径分布、较高的导电率和稳定性。然而WO₃属于n型半导体材料，室温下禁带宽度(Eg)大约为2.6eV，较差的电子传输能力必定会影响其电催化性能。因此，寻找催化性能更为优异的WO₃载体材料仍然是DMFC催化剂研究的热点。

三氧化钨(WO₃)具有类似于ABO₃型钙钛矿的晶体结构(图1)，即整个晶体由钨氧八面体结构单元通过共用顶角氧原子堆积而成，相邻八面体之间形成六元、四元或三元环孔道。钨氧八面体所围成的孔道结构对甲醇氧化动力学过程发挥重要作用，即甲醇在Pt上解离吸附的氢可以扩散转移到WO₃孔道中，释放出Pt活性中心，从而加快甲醇氧化反应过程中的脱氢反应步骤。非化学计量比氧化钨(WO_x)晶体中存在氧空位缺陷，在一定程度上可以减小能带隙和提高其导电率，还为催化反应提供更多的活性位点。尤其在WO₂分子中存在强烈的金属-金属键作用，使其具有类似于金属的导电性质。如孙春文教授课题组报道了Pt/WO_2.72纳米棒对甲醇表现出很好的电催化性能；申请人采用原位还原技术合成具有核壳结构的WO_2/WO₃微球，具有导电性能的WO₂修饰添加能加快电催化反应过程中电子转移速率，从而提高了对甲醇电催化氧化活性。虽然WO₃表面化学缺陷的控制能够优化其电催化活性，但是钨氧八面体连接方式由共用顶角氧向共用棱边转变，导致多元环围成的孔道结构逐渐消失(图2)，而孔道结构在甲醇电催化反应过程中发挥重要作用。因此，如何在WO₃能带隙变窄的同时保持其孔道结构不变是当前需要解决的问题。

【发明内容】

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种替位掺杂WO₃电催化剂的制备方法，本发明针对目前WO₃作为DMFC催化剂的载体存在导电性差的缺点，提出一种通过非金属原子替位掺杂方式调控WO₃的电子结构，同时形成可促进质子嵌脱的微观孔道结构，从而达到加快甲醇氧化动力学过程的目的，提高催化效率(图3)。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：