一種溶液燃燒合成制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法
【技術領域】
[0001]本發明提供了一種溶液燃燒合成制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，屬于納米催化劑粉末制備技術領域。該方法原料易得、設備簡單、工藝流程短、效率高、成本低、適合工業生產。
【背景技術】
[0002]燃料電池歷史悠久，從1838年發現燃料電池效應到20世紀90年代世界范圍內石油危機的出現，燃料電池的發展從蕭條到逐漸得到了人們的關注。燃料電池是能夠將燃料具有的化學能直接轉變為電能的發電裝置，具有能量轉化效率高、環境污染少、噪聲排放低的突出優點。然而，由于缺乏高效、廉價的電池陽極和陰極催化劑，目前燃料電池應用比較少。提高電極反應的性能，探索廉價、高效的電催化劑是燃料電池研究領域的重點之一。
[0003]目前常用于電池催化劑的材料主要有金屬類催化劑、金屬氧化物類催化劑、復合金屬氧化物類催化劑、過渡金屬大環化合物類催化劑等。其中，金屬類催化劑主要包括Pt、Ag、Pd等。Pt是最活潑的催化劑，已經廣泛應用于質子交換膜燃料電池中，其缺點是價格昂貴。因此，尋求一種能夠替代傳統催化劑的材料成為了一個趨勢。碳化鎢負載Pt催化劑大大減少了鉑的用量，提高了其利用率，成為一種研究價值和發展前景的催化材料。
[0004]隨著催化劑的發展，碳作為Pt催化劑的支撐材料越來越多的應用在燃料電池中。其缺點是在燃料電池測試中Pt容易分散和碳支撐材料容易被氧化和被腐蝕，這些將降低催化劑的性能，導致其在燃料電池中較低的耐用性。碳化鎢被認為是一種很有前途的下一代電化學催化劑的支撐材料，與Pt或者C結合有更好的催化性能，是由于WC和Pt相似的催化能力可能導致催化劑之間的協同作用，從而導致催化活性的增加。因此，一種簡單有效的在碳化媽載體上負載細小和均勾分布的納米金屬Pt粒子的方法，并同時發揮其協同作用，對于高性能的催化劑制備具有十分重要的發展前景。本發明所提出的通過直接燃燒合成制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，尚未見文獻和應用報道。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有方法的不足，特別提供一種溶液燃燒合成制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法。該方法原料易得，設備簡單，工藝流程短，效率高，成本低，適合工業生產。
[0006]本發明制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0007]1)溶液配制:將鎢酸銨、氯鉑酸、碳源、尿素、硝酸按照一定的比例溶于蒸餾水中；其中碳源和鎢源的摩爾比為10?16:3。
[0008]2)前驅體的制備:將溶液加熱并攪拌進行氧化還原反應，溶液揮發、濃縮、分解放出大量氣體，得到前驅體粉末；
[0009]3)碳化鎢負載鉑催化劑的制備:將前驅體粉末在研缽中研磨后，裝入方型石墨舟中，在通氬氣保護的管式爐中進行碳化反應，反應溫度控制在900?1100°C范圍內，時間為4?10小時，反應結束后得到碳化鎢負載鉑催化劑粉末，催化劑粉末由碳化鎢載體顆粒和鉑顆粒組成。
[0010]步驟1)所述鎢源還可以為偏鎢酸銨、仲鎢酸銨。
[0011]步驟2)所述的前驅體粉末為高活性的三氧化鎢水合物、碳和鉑。
[0012]步驟3)所述的碳化鎢負載鉑催化劑粉末中的鉑和載體碳化鎢質量比為1?100:100，所述碳化媽載體顆粒的粒徑為50?500nm，所述的鈾顆粒的粒徑為1?20nm。
[0013]該方法具有以下優點:
[0014]1)利用溶液中各原料之間的氧化還原反應，在十幾分鐘內簡便快捷地制備出前驅體粉末；
[0015]2)驅體粉末反應活性高，可降低還原反應溫度，提高反應速度；
[0016]3)制備的催化劑為介孔結構的顆粒，由于碳化鎢具有特殊的介孔結構，使金屬納米鉑在其表面具有很高的分散性，提高了催化劑的催化活性。
[0017]4)利用溶液燃燒合成的優點，通過對原材料反應的精確控制，從而達到制備純的Pt/WC催化劑。
[0018]5)設備簡單，工藝流程短，效率高，成本低，適合規模化工業生產。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明制備的碳化鎢負載鉑催化劑前驅體的XRD圖譜；
[0020]圖2為本發明制備的碳化鎢負載鉑催化劑的XRD圖譜；
[0021]圖3為本發明制備的碳化鎢負載鉑催化劑前驅體的FESEM照片；
[0022]圖4為本發明制備的碳化鎢負載鉑催化劑的FESEM照片；
【具體實施方式】
[0023]實施例一
[0024]稱量媽酸,安0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.lmol、氯鈾酸0.09mol、葡萄糖0.07mol，加100ml去離子水，在500ml燒杯中混合均勻。將混合溶液放置在封閉電爐上加熱，電爐開到最大功率，邊加熱邊攪拌。溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后發生反應，得到前驅體粉末。將前驅體粉末取出，在研缽中研磨成粉末。所得粉末裝入方形石墨舟中，在通氬氣保護的管式爐中進行碳化，碳化溫度900°C，升溫速度:TC /min，保溫4h后緩慢隨爐冷卻，得到碳化鎢負載鉑催化劑粉末。
[0025]實施例二
[0026]稱量媽酸,安0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.lmol、氯鉬酸0.09mol、葡萄糖0.07mol，加100ml去離子水，在500ml燒杯中混合均勻。將混合溶液放置在封閉電爐上加熱，電爐開到最大功率，邊加熱邊攪拌。溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后發生反應，得到前驅體粉末。將前驅體粉末取出，在研缽中研磨成粉末。所得粉末裝入方形石墨舟中，在通氬氣保護的管式爐中進行碳化，碳化溫度1000°C，升溫速度:TC /min，保溫6h后緩慢隨爐冷卻，得到碳化鎢負載鉑催化劑粉末。
[0027]實施例三
[0028]稱量媽酸,安0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.lmol、氯鉬酸0.09mol、葡萄糖0.07mol，加100ml去離子水，在500ml燒杯中混合均勻。將混合溶液放置在封閉電爐上加熱，電爐開到最大功率，邊加熱邊攪拌。溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后發生反應，得到前驅體粉末。將前驅體粉末取出，在研缽中研磨成粉末。所得粉末裝入方形石墨舟中，在通氬氣保護的管式爐中進行碳化，碳化溫度1100°c，升溫速度:TC /min，保溫6h后緩慢隨爐冷卻，得到碳化鎢負載鉑催化劑粉末。
[0029]實施例四
[0030]稱量媽酸,安0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.lmol、氯鉬酸0.09mol、葡萄糖
0.07mol，加100ml去離子水，在500ml燒杯中混合均勻。將混合溶液放置在封閉電爐上加熱，電爐開到最大功率，邊加熱邊攪拌。溶液在經歷揮發、濃縮、冒泡等一系列過程后發生反應，得到前驅體粉末。將前驅體粉末取出，在研缽中研磨成粉末。所得粉末裝入方形石墨舟中，在通氬氣保護的管式爐中進行碳化，碳化溫度1100°C，升溫速度:TC /min，保溫8h后緩慢隨爐冷卻，得到碳化鎢負載鉑催化劑粉末。
[0031]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員應當理解，參照上述實施例可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換均在申請待批的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1.一種溶液燃燒合成制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，其特征在于包括如下步驟: a.將鎢酸銨、氯鉑酸、碳源、尿素、硝酸按照一定的比例溶于蒸餾水中； b.將上述混合溶液在封閉電爐上加熱并攪拌進行氧化還原反應，溶液揮發后濃縮成前驅體粉末； c.將前驅體粉末在研缽中研磨后，裝入方型石墨舟中，在通氬氣保護的管式爐中進行碳化反應，反應溫度控制在900?1100°C范圍內，時間為4?10小時，反應結束后得到碳化鎢負載鉑催化劑粉末，催化劑粉末由碳化鎢載體顆粒和鉑顆粒組成。2.根據權利要求1所述的制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，其特征在于所述步驟a中的鎢源為偏鎢酸銨或仲鎢酸銨。3.根據權利要求1所述的制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，其特征在于所述步驟a中碳源和鎢源的摩爾比為10?16:3。4.根據權利要求1所述的制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，其特征在于所述步驟b中前驅體粉末為高活性的三氧化鎢水合物、碳和鉑。5.根據權利要求1所述的制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，其特征在于所述步驟c中的碳化鎢負載鉑催化劑粉末中的鉑和載體碳化鎢質量比為1?100:100，所述載體碳化鎢顆粒的粒徑為50?500nm，所述的鈾顆粒的粒徑為1?20nm。
【專利摘要】本發明提供了一種溶液燃燒合成制備碳化鎢負載鉑催化劑的方法，屬于納米催化劑粉末制備技術領域。以鎢酸銨為鎢源，氯鉑酸為鉑源，檸檬酸、葡萄糖、蔗糖等水溶性有機物為碳源，尿素作為燃料，硝酸作為氧化劑。工藝過程為：1.將鎢酸銨、氯鉑酸、碳源、尿素、硝酸按照一定的比例溶于蒸餾水中；2.將混合溶液在封閉電爐上加熱并攪拌，溶液揮發濃縮成前驅體粉末；3.將前驅體粉末研磨后，在通氬氣保護的管式爐中進行碳化反應，反應溫度控制在900～1100℃范圍內，時間為4～10小時，反應結束后得到碳化鎢負載鉑催化劑粉末。本發明制備工藝簡單，生產周期短，易于產業化生產，制備得到的Pt/WC催化劑具有大規模推廣應用的潛力。
【IPC分類】B01J27/22
【公開號】CN105312070
【申請號】CN201510836537
【發明人】劉志偉, 李平, 李楊, 張駿, 曲選輝, 秦明禮
【申請人】北京科技大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年11月26日