[发明专利]一种钨氧碳/碳气凝胶复合电极及其制备方法

说明书

本发明属于催化电极领域，尤其涉及一种钨氧碳/碳气凝胶复合电极及其制备方法。所述制备方法包括：以细菌纤维素凝胶为基体，通过制片处理得到碳气凝胶（CA）载体，将碳气凝胶（CA）载体置于钨源前驱体溶液中进行浸渍处理得到钨氧碳/碳气凝胶（WOC/CA）前驱体，随后对WOC/CA前驱体依次进行干燥和还原热处理得到钨氧碳/碳气凝胶复合电极。本发明制备方法简洁高效，实现低成本、高性能的钨氧碳/碳气凝胶复合电极的高效制备；制备所得的钨氧碳/碳气凝胶复合电极具有较优异的甲醇催化氧化性能，有望用于便携式或微型直接甲醇燃料电池。

技术领域

本发明属于催化电极领域，尤其涉及一种钨氧碳/碳气凝胶复合电极及其制备方法。

背景技术

随着能源供需矛盾的日益加剧，传统化石燃料已不能满足社会发展的能源需求，迫切需要新能源技术来缓解当前的困境，直接甲醇燃料电池（DMFC）以其高效、低污染、低工作温度和甲醇的高体积能量密度而受到越来越多的关注，因此其对于缓解能源危机和保护环境具有重要意义。值得注意的是，甲醇的电氧化（MOR）高度依赖于阳极的催化活性，目前铂基等贵金属催化剂仍然是DMFC的首选阳极催化剂，其具有优异的催化性能，但它们价格昂贵，且易受CO_ads中毒影响，因此限制了商业化应用，因此探索在DMFC中具有优异催化性能的非贵金属基催化剂是非常重要的。一些非贵金属基催化剂如过渡族金属（如Ni基、Co基等）、过渡金属碳氮化物（如WC、Mo₂C和WN等）和过渡金属氧化物等，具有类Pt的催化性能，且价格低廉，具有良好的抗CO中毒能力，是不错的选择，但是其催化效率仍较低，因此如何提高其催化效率，改善催化性能成为目前的难点之一。

氧化钨（WO₃）作为一种过渡金属氧化物，因其对于甲醇催化氧化具有较大的潜力而受到越来越多的关注，以其作为钨氧碳/碳气凝胶复合电极的主要功能成分之一，具有巨大的理论性能前景。这是因为WO₃具有“氢溢流效应”，能够促进甲醇的脱氢过程，而且WO₃具有氧化性能，可以促进CO_ads的去除，从而减少电极中毒现象。其次，碳化钨（WC）是一种具有优异的导电性和导热性的新型功能材料，其优异的导电性可以提升MOR催化活性。更重要的是，CO在WC表面的弱吸附将有效缓解中毒现象，从而大大防止催化剂失活，提高稳定性，目前有研究使用WC作为助催化剂提高电极对甲醇的电催化作用。

但是，现有的碳化钨催化电极制备过程十分复杂，需先配置偏钨酸铵的水溶液进行喷雾干燥成球，制成偏钨酸铵微球/粉体，随后通过在含有碳源的还原气氛中还原煅烧、在保护气氛中冷却，如在CO/H₂混合气氛中还原煅烧、在N₂气氛中冷却，制得粉状碳化钨，随后将碳化钨与活性炭、60wt%的聚四氟乙烯乳液按照一定比例混合，加入无水乙醇作为溶剂配制为浆料，依次进行超声和加热使得浆料中的活性物质团聚再反复压辊成催化膜，还需进行额外防水层的制备，将集流体、防水层和催化膜逐层叠合，最后进行高压才能够完成制备。过于复杂的制备流程以及制备过程要求精度较高，同样也限制了碳化钨催化电极的发展和普及推广，为此，本领域技术人员一直致力于碳化钨催化电极材料的制备工艺简化以及性能改进。

如中国专利局于2006年2月1日公开的一种碳化钨催化电极的发明专利申请，申请公开号为CN1727883A，其采用镍作为基础载体、以碳化钨作为靶材，通过磁控溅射的方式将碳化钨负载到镍基体上，实现碳化钨催化电极的制备，但该制备方法所制得的碳化钨催化电极的催化氧化效果较为有限，并且同样需要优先制备碳化钨靶材，整体流程同样较为繁琐，还存在对设备需求较高等一系列问题。

又如中国专利局于2018年1月19日公开的介孔碳-碳化钨复合材料载铂催化剂的制备方法的发明专利申请，申请公开号为CN107597158A，其采用加工钨极片并通过在钨极片内充设氮气实现对钨极片孔隙的保护后，在钨极片表面进行沉积碳，实现碳化钨的制备和碳层的覆盖，最后在表面负载铂金属，实现介孔碳-碳化钨@铂催化电极的制备，该方法仍较为复杂，且添加了铂金属，原料成本较高。

发明内容