[发明专利]一种在碱性介质中电催化甲醇氧化的催化剂及其制备方法

说明书

一种在碱性介质中电催化甲醇氧化的催化剂及其制备方法。本发明采用空间限域热解法得到了负载在碳基底上的碳化钨(WC)和金属镍(Ni)组成的双组分催化剂(WC/Ni@C)。其在1M CH₃OH碱性溶液中的甲醇氧化起始电位是+0.35V(vsAg/AgCl参比电极，下同)，在电势为+0.6V时，其电催化电流密度达到310mA/cm²，在+0.5V电势下进行恒电位电解，其催化电流密度基本稳定在205mA/cm²，107分钟后下降22.7％，结果表明了该催化剂具有优异的电催化甲醇氧化反应性能及良好的稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂领域，具体地涉及一种在碱性介质中电催化甲醇氧化的催化剂及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的不断消耗，其储量日渐减少，并且在使用过程中化石燃料还会产生大量的有害物质，导致全球面临着严重的能源危机和环境污染问题。因此，人们迫切寻求一种清洁、高效、可持续利用的新型能源来代替传统的化石燃料。直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cells，DMFCs)是一种直接将化学能转化为电能的装置，因其高能效、低成本、清洁无污染、易操作等优点而受到人们的关注。DMFCs的阳极反应基本过程为：甲醇先被催化剂分解成电子、质子和羰基，其中电子通过外电路形成电流；质子通过质子交换膜与氧气反应生成水，羰基被进一步氧化为二氧化碳，水和二氧化碳随后被排出电池外部。由此可知，实现高性能DMFCs的关键因素之一，就是设计合成高效、稳定的甲醇氧化反应(MOR)电催化剂。目前使用最多、效率最高的MOR电催化剂以贵金属铂(Pt)及其衍生化合物为主。然而，金属Pt价格昂贵、储量稀少，且在反应过程中，特别是碱性环境中容易受到毒化，种种缺陷限制了其在商业上的应用。虽然WC能有效的防止甲醇中毒，具有代替金属Pt用于电催化甲醇氧化的可能，但是其在碱性环境中较低的催化效率严重制约了其应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在碱性介质中能够抗甲醇毒化和具有高催化效率的电催化甲醇氧化的催化剂及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种在碱性介质中电催化甲醇氧化的催化剂WC/Ni@C，其由以下步骤制备：

以Ni取代的Keggin型多钨氧酸盐(K₁₀SiW₉O₃₇[Ni(H₂O)]₃，记为SiW₉Ni₃)、经典的沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8和导电碳黑(EC600JD)为前驱体，首先将SiW₉Ni₃原位封装到ZIF-8的孔道内，形成POM@ZIF-8的复合前驱体(SiW₉Ni₃@ZIF/C)，然后经高温热解得到由碳化钨(WC)和金属镍(Ni)组成的纳米颗粒，并负载在多孔碳基底上，记为WC/Ni@C。

步骤1，SiW₉Ni₃的合成。

将NiSO₄·6H₂O加入CH₃COONa溶液中并充分溶解，在60-80℃下，将Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]·18H₂O(记为SiW₉)缓慢加入到上述溶液中，当SiW₉全部溶解至溶液澄清时，加热30-60min，然后将混合溶液冷却至室温并进行抽滤，向所得滤液中加入KCl溶液，充分搅拌，得到绿色沉淀，在60-80℃水中进行重结晶，然后得到产物SiW₉Ni₃。

步骤2，SiW₉Ni₃@ZIF/C前驱体的合成。