CN105312070A - 一种溶液燃烧合成制备碳化钨负载铂催化剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种溶液燃烧合成制备碳化钨负载铂催化剂的方法，属于纳米催化剂粉末制备技术领域。以钨酸铵为钨源，氯铂酸为铂源，柠檬酸、葡萄糖、蔗糖等水溶性有机物为碳源，尿素作为燃料，硝酸作为氧化剂。工艺过程为：1.将钨酸铵、氯铂酸、碳源、尿素、硝酸按照一定的比例溶于蒸馏水中；2.将混合溶液在封闭电炉上加热并搅拌，溶液挥发浓缩成前驱体粉末；3.将前驱体粉末研磨后，在通氩气保护的管式炉中进行碳化反应，反应温度控制在900～1100℃范围内，时间为4～10小时，反应结束后得到碳化钨负载铂催化剂粉末。本发明制备工艺简单，生产周期短，易于产业化生产，制备得到的Pt/WC催化剂具有大规模推广应用的潜力。

Description

一种溶液燃烧合成制备碳化钨负载铂催化剂的方法

技术领域

本发明提供了一种溶液燃烧合成制备碳化钨负载铂催化剂的方法，属于纳米催化剂粉末制备技术领域。该方法原料易得、设备简单、工艺流程短、效率高、成本低、适合工业生产。

背景技术

燃料电池历史悠久，从1838年发现燃料电池效应到20世纪90年代世界范围内石油危机的出现，燃料电池的发展从萧条到逐渐得到了人们的关注。燃料电池是能够将燃料具有的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转化效率高、环境污染少、噪声排放低的突出优点。然而，由于缺乏高效、廉价的电池阳极和阴极催化剂，目前燃料电池应用比较少。提高电极反应的性能，探索廉价、高效的电催化剂是燃料电池研究领域的重点之一。

目前常用于电池催化剂的材料主要有金属类催化剂、金属氧化物类催化剂、复合金属氧化物类催化剂、过渡金属大环化合物类催化剂等。其中，金属类催化剂主要包括Pt、Ag、Pd等。Pt是最活泼的催化剂，已经广泛应用于质子交换膜燃料电池中，其缺点是价格昂贵。因此，寻求一种能够替代传统催化剂的材料成为了一个趋势。碳化钨负载Pt催化剂大大减少了铂的用量,提高了其利用率,成为一种研究价值和发展前景的催化材料。

随着催化剂的发展，碳作为Pt催化剂的支撑材料越来越多的应用在燃料电池中。其缺点是在燃料电池测试中Pt容易分散和碳支撑材料容易被氧化和被腐蚀，这些将降低催化剂的性能，导致其在燃料电池中较低的耐用性。碳化钨被认为是一种很有前途的下一代电化学催化剂的支撑材料，与Pt或者C结合有更好的催化性能，是由于WC和Pt相似的催化能力可能导致催化剂之间的协同作用，从而导致催化活性的增加。因此,一种简单有效的在碳化钨载体上负载细小和均匀分布的纳米金属Pt粒子的方法,并同时发挥其协同作用,对于高性能的催化剂制备具有十分重要的发展前景。本发明所提出的通过直接燃烧合成制备碳化钨负载铂催化剂的方法，尚未见文献和应用报道。

发明内容

本发明针对现有方法的不足，特别提供一种溶液燃烧合成制备碳化钨负载铂催化剂的方法。该方法原料易得，设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合工业生产。

本发明制备碳化钨负载铂催化剂的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)溶液配制：将钨酸铵、氯铂酸、碳源、尿素、硝酸按照一定的比例溶于蒸馏水中；其中碳源和钨源的摩尔比为10～16:3。

2)前驱体的制备：将溶液加热并搅拌进行氧化还原反应，溶液挥发、浓缩、分解放出大量气体，得到前驱体粉末；

3)碳化钨负载铂催化剂的制备：将前驱体粉末在研钵中研磨后，装入方型石墨舟中，在通氩气保护的管式炉中进行碳化反应，反应温度控制在900～1100℃范围内，时间为4～10小时，反应结束后得到碳化钨负载铂催化剂粉末，催化剂粉末由碳化钨载体颗粒和铂颗粒组成。

步骤1)所述钨源还可以为偏钨酸铵、仲钨酸铵。

步骤2)所述的前驱体粉末为高活性的三氧化钨水合物、碳和铂。

步骤3)所述的碳化钨负载铂催化剂粉末中的铂和载体碳化钨质量比为1～100：100，所述碳化钨载体颗粒的粒径为50～500nm，所述的铂颗粒的粒径为1～20nm。

该方法具有以下优点：

1)利用溶液中各原料之间的氧化还原反应，在十几分钟内简便快捷地制备出前驱体粉末；

2)驱体粉末反应活性高，可降低还原反应温度，提高反应速度；

3)制备的催化剂为介孔结构的颗粒，由于碳化钨具有特殊的介孔结构，使金属纳米铂在其表面具有很高的分散性，提高了催化剂的催化活性。

4)利用溶液燃烧合成的优点，通过对原材料反应的精确控制，从而达到制备纯的Pt/WC催化剂。

5)设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合规模化工业生产。

附图说明

图1为本发明制备的碳化钨负载铂催化剂前驱体的XRD图谱；

图2为本发明制备的碳化钨负载铂催化剂的XRD图谱；

图3为本发明制备的碳化钨负载铂催化剂前驱体的FESEM照片；

图4为本发明制备的碳化钨负载铂催化剂的FESEM照片；

具体实施方式

实施例一

称量钨酸铵0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.1mol、氯铂酸0.09mol、葡萄糖0.07mol，加100ml去离子水，在500ml烧杯中混合均匀。将混合溶液放置在封闭电炉上加热，电炉开到最大功率，边加热边搅拌。溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后发生反应，得到前驱体粉末。将前驱体粉末取出，在研钵中研磨成粉末。所得粉末装入方形石墨舟中，在通氩气保护的管式炉中进行碳化，碳化温度900℃，升温速度3℃/min，保温4h后缓慢随炉冷却，得到碳化钨负载铂催化剂粉末。

实施例二

称量钨酸铵0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.1mol、氯铂酸0.09mol、葡萄糖0.07mol，加100ml去离子水，在500ml烧杯中混合均匀。将混合溶液放置在封闭电炉上加热，电炉开到最大功率，边加热边搅拌。溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后发生反应，得到前驱体粉末。将前驱体粉末取出，在研钵中研磨成粉末。所得粉末装入方形石墨舟中，在通氩气保护的管式炉中进行碳化，碳化温度1000℃，升温速度3℃/min，保温6h后缓慢随炉冷却，得到碳化钨负载铂催化剂粉末。

实施例三

称量钨酸铵0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.1mol、氯铂酸0.09mol、葡萄糖0.07mol，加100ml去离子水，在500ml烧杯中混合均匀。将混合溶液放置在封闭电炉上加热，电炉开到最大功率，边加热边搅拌。溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后发生反应，得到前驱体粉末。将前驱体粉末取出，在研钵中研磨成粉末。所得粉末装入方形石墨舟中，在通氩气保护的管式炉中进行碳化，碳化温度1100℃，升温速度3℃/min，保温6h后缓慢随炉冷却，得到碳化钨负载铂催化剂粉末。

实施例四

称量钨酸铵0.0075mol、尿素0.05mol、硝酸0.1mol、氯铂酸0.09mol、葡萄糖0.07mol，加100ml去离子水，在500ml烧杯中混合均匀。将混合溶液放置在封闭电炉上加热，电炉开到最大功率，边加热边搅拌。溶液在经历挥发、浓缩、冒泡等一系列过程后发生反应，得到前驱体粉末。将前驱体粉末取出，在研钵中研磨成粉末。所得粉末装入方形石墨舟中，在通氩气保护的管式炉中进行碳化，碳化温度1100℃，升温速度3℃/min，保温8h后缓慢随炉冷却，得到碳化钨负载铂催化剂粉末。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种溶液燃烧合成制备碳化钨负载铂催化剂的方法，其特征在于包括如下步骤：

a.将钨酸铵、氯铂酸、碳源、尿素、硝酸按照一定的比例溶于蒸馏水中；

b.将上述混合溶液在封闭电炉上加热并搅拌进行氧化还原反应，溶液挥发后浓缩成前驱体粉末；

c.将前驱体粉末在研钵中研磨后，装入方型石墨舟中，在通氩气保护的管式炉中进行碳化反应，反应温度控制在900～1100℃范围内，时间为4～10小时，反应结束后得到碳化钨负载铂催化剂粉末，催化剂粉末由碳化钨载体颗粒和铂颗粒组成。

2.根据权利要求1所述的制备碳化钨负载铂催化剂的方法，其特征在于所述步骤a中的钨源为偏钨酸铵或仲钨酸铵。

3.根据权利要求1所述的制备碳化钨负载铂催化剂的方法，其特征在于所述步骤a中碳源和钨源的摩尔比为10～16:3。

4.根据权利要求1所述的制备碳化钨负载铂催化剂的方法，其特征在于所述步骤b中前驱体粉末为高活性的三氧化钨水合物、碳和铂。

5.根据权利要求1所述的制备碳化钨负载铂催化剂的方法，其特征在于所述步骤c中的碳化钨负载铂催化剂粉末中的铂和载体碳化钨质量比为1～100：100，所述载体碳化钨颗粒的粒径为50～500nm，所述的铂颗粒的粒径为1～20nm。