CN113529127A - 一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂及其制备方法 - Google Patents

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李月明
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Abstract

本发明公开了一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，由硫化物形式的W和S组成，并包裹在石墨烯中后负载在碳纸上，其通式为WxSy@CP，式中0≤x/y≤10。此外，还公开了上述原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法。本发明集成的WxSy@CP催化剂电极具有高的电导率、高的理论电容、循环稳定性和耐久性等显著优点，可广泛应用于各种析氧电解催化，具有低成本和环境友好的优势。本发明制备方法成本低、简单且适用性强，为设计新的高性能催化剂和稳定的电极材料提供了新的思路，对于工业应用具有极大的价值。

Description

一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及催化材料技术领域，尤其涉及一种钨金属催化剂及其制备方法。
背景技术
为了解决不断增长的能源需求和气候变化问题，清洁能源转换和存储系统已经吸引了越来越多科学家的兴趣，例如电解水装置、可充电金属空气电池和燃料电池。在电解水中，析氧反应是一个限速步骤，通常与缓慢的动力学和高的过电势联系在一起。为了解决这个问题，已经投入了大量的努力去开发高效率、低成本的OER催化材料，特别是最先进的贵金属的廉价取代材料，诸如RuOx和IrOx。过去几十年中，过渡金属氧化物及其衍生物由于其丰富的储量、低成本、环境友好和高的催化活性被广泛研究。在这些催化材料中，钴基、镍基和铁基氧化物、硫化物、磷化物和其衍生物研究的最多，已经被证明是可以与贵金属催化剂相媲美了。
但是在不同的介质中，电化学OER通常会以不同的方式进行。在酸性溶液中，水被氧化成氧气和氢离子，而在中性和碱性溶液中，氢氧根离子被氧化成水和氧气。不管OER发生在哪种介质中，OER在25℃时的热力学电势值为1.23V(相当于可逆氢电极(RHE))。但是，与热力学电势值相比，通常我们必须施加更高的电势促进电化学OER，因此这会消耗过多的能量并降低转换效率。额外的电势(也称为超电势)主要是由固有的反应活化势垒和其他一些电阻(如溶液电阻和接触电阻)引起的。因此，非常需要开发用于OER的高效和成本低的电催化剂。
目前，虽然对于过渡金属双金属催化剂的报道较多，但是尚未见到关于原位生长硫和石墨烯的钨单金属电解水催化剂的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，以获得高催化活性、性能稳定的钨单金属电解水催化材料。本发明的另一目的在于提供上述原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，由硫化物形式的W和S组成，并包裹在石墨烯中后负载在碳纸上，其通式为WxSy@CP，式中0≤x/y≤10。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的上述原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照比例钨酸铵或者钨酸钠∶双氧水∶盐酸＝0.5～10g∶1～20ml∶5～50ml，将钨酸铵或者钨酸钠加入由双氧水和盐酸组成的混合溶液中搅拌均匀，得到含钨的浆料；
(2)碳纸依次用乙醇和去离子水浸泡5～30min后，经超声波清洗、干燥后，得到处理后的碳纸；
(3)将所述处理后的碳纸置于含钨的浆料中浸渍5～30min后，在250～750℃温度下煅烧5～120min，获得负载有钨氧化物的碳纸；
(4)将所述负载有钨氧化物的碳纸放入管式炉中、在氦气或氩气保护下，通入CS2溶液，在500～1000℃温度下处理1～5h，冷却至室温，即制得原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明首次采用水热和煅烧的方法成功制备了一种用于电解水析氧的石墨烯包裹的硫化的钨单金属催化材料，为高性能催化材料的制备提供了一种切实可行的方法。集成的WxSy@CP催化剂电极具有高的电导率、高的理论电容、循环稳定性、耐久性等显著优点。同时，由于其独特的结构，使得其具有快速的电荷传输和离子扩散。
(2)相比于目前采用的其他方法，本发明石墨烯包裹的硫化的钨单金属催化材料由于其低成本和环境友好的显著特点，提供了一种便宜、简单且适用性强的催化剂的制备方法。为设计新的高性能催化剂和稳定的电极材料提供了新的思路，这对于工业上有着极大的价值。
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的实施例，由硫化物形式的W和S组成，并包裹在石墨烯中后负载在碳纸上，其通式为WxSy@CP，式中0≤x/y≤10。各实施例的配方参数如表1所示。
表1本发明各实施例WxSy@CP催化剂的配方参数
Figure BDA0003128919630000021
Figure BDA0003128919630000031
本发明实施例原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法，其步骤如下：
(1)按照用量钨酸铵或者钨酸钠0.5～10g、双氧水1～20ml、盐酸5～50ml，将钨酸铵或者钨酸钠加入由双氧水和盐酸组成的混合溶液中搅拌均匀，得到含钨的浆料；各实施例的配料用量如表2所示；
表2本发明各实施例配料用量
Figure BDA0003128919630000032
(2)将碳纸裁剪成2cm×4.5cm大小的长方形，依次用乙醇和去离子水分别浸泡5～30min后，经超声波清洗10min、在80℃的真空烘箱干燥1h后取出，得到处理后的碳纸；各实施例的工艺参数如表3所示；
表3本发明各实施例碳纸的处理工艺参数
Figure BDA0003128919630000033
(3)将上述处理后的碳纸置于含钨的浆料中浸渍5～30min后，在250～750℃温度下煅烧5～120min，获得负载有钨氧化物的碳纸；各实施例的工艺参数如表4所示；
表4本发明各实施例步骤(3)工艺参数
Figure BDA0003128919630000034
(4)将上述负载有钨氧化物的碳纸放入管式炉中、在氦气或氩气保护下，通入CS2溶液，在500～1000℃温度下处理1～5h，冷却至室温，即制得原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂。各实施例的工艺参数如表5所示。
表5本发明各实施例通入CS2的处理工艺参数
Figure BDA0003128919630000041
本发明各实施例制备的原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，其电化学性能如表6所示。
表6本发明各实施例制备的催化剂的电化学性能
Figure BDA0003128919630000042

Claims (2)

1.一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，其特征在于：由硫化物形式的W和S组成，并包裹在石墨烯中后负载在碳纸上，其通式为WxSy@CP，式中0≤x/y≤10。
2.权利要求1所述原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按照比例钨酸铵或者钨酸钠∶双氧水∶盐酸＝0.5～10g∶1～20ml∶5～50ml，将钨酸铵或者钨酸钠加入由双氧水和盐酸组成的混合溶液中搅拌均匀，得到含钨的浆料；
(2)碳纸依次用乙醇和去离子水浸泡5～30min后，经超声波清洗、干燥后，得到处理后的碳纸；
(3)将所述处理后的碳纸置于含钨的浆料中浸渍5～30min后，在250～750℃温度下煅烧5～120min，获得负载有钨氧化物的碳纸；
(4)将所述负载有钨氧化物的碳纸放入管式炉中、在氦气或氩气保护下，通入CS2溶液，在500～1000℃温度下处理1～5h，冷却至室温，即制得原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂。
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