WC%2f晶态纳米碳复合体的设计合成及其在DMFC中应用的探索.pdfVIP

WC/ 晶态纳米碳复合体的设计合成及其在DMFC 中应用的探索 * 付宏刚 ，田春贵,王蕾，王瑞红 (黑龙江大学化学化工与材料学院,功能无机材料化学省部共建重点实验室,哈尔滨, fuhg@ ） 150080,E-mail: 能源和环境问题是新世纪人类所关注的焦点问题。直接甲醇燃料电池 (Direct Methanol Fuel Cell， DMFC) 具有较高的能量转换效率，是环境友好的绿色能源。Pt基贵金属是其阳极反应的常用 的催化剂。除了催化剂的结构，载体的电阻率以及比表面积是影响甲醇电化学氧化的主要因素。大 的比表面积有利于传质。高的电导率有助于电子的传输。此外，甲醇电氧化中间产物CO在催化剂表 面吸附也是导致催化剂活性降低的重要因素。常用的无定形碳载体具有较高的电阻，不利于电子的 传导。晶态纳米碳（碳纳米管，纳米胶囊以及石墨烯等）由于高的稳定性以及优异的电学性质而在 电化学领域有重要的应用价值。此外，一些文献报道碳化钨 （WC）具有与铂族金属类似的性质，尤 [1, 2] 其是其高稳定性和抗CO毒化能力更是吸引了众多的研究者的关注。 因此，将WC与晶态纳米碳结 合是获得优异催化剂载体的可行方案，是解决甲醇燃料电池催化剂易中毒和效率低的一个有效途径。 以前制备晶态纳米碳以及WC/晶态纳米碳复合体的方法存在以下几个主要问题：1）制备程序为多步 反应，步骤复杂，产率低；2）采用的载体多为碳纳米管，碳胶囊，其对Pt的电催化氧化反应的促进 [3, 4] 效果与实用化还有一定差距。 由于晶态纳米碳结构与其性能之间的密切关系，寻求新的具有优 异电学特性的载体是获得高活性催化剂的可行路线。基于以上分析，我们在晶态纳米碳及WC/晶态纳 米碳复合体方面做了一些探索性的工作。发展了一种有效的，配位基的 “Solution-liquid-Solid” 路线制备晶态纳米碳及碳基复合体材料。合成中，采用廉价的具有极性官能团的含碳物质，比如离 子交换树脂、糖类、壳聚糖以及农作物废弃物等作为碳源。基于电荷匹配原则，引入能与碳母体极 性官能基团键合且对其结晶有催化作用的Fe、Co、Ni的金属（配离子）盐，调节碳母体、金属盐的 种类以及两者的用量比，通过S-L-S过程成功的制备了层状、囊状、带状、棒状等新形貌的晶态纳米 碳及其磁性复合体。[5, 6] 此外，基于碳母体极性官能团与多种金属离子的配位能力，将催化剂离子 以及功能性组分的离子前驱体同步引入到合成体系中，通过两类离子与碳母体之间的键合作用将两 [7] 者锚合在碳母体的特定位置，在惰性气氛下热处理，实现晶态纳米碳基复合体材料的同步合成 。 [5, 6] 该方法的特点是操作简单，碳源来源广泛廉价易得，目标产物产率高且结构可控。 调节碳母体 及金属离子的种类和用量比，成功的制备了Ag/GC, Pd/GC，WC/GC以及Mo2C/GC等多种功能化碳基复 合体材料。与Pt-Vulcan相比，Pt-WC/GC催化剂对甲醇电氧化反应具有很好的催化活性且具有高的稳 定性。分析表明催化剂优异的性能与石墨碳高的导电性以及WC优异的抗CO毒性的能力是密切相关的。 [7] 同时，原位同步路线制备的WC/GC复合体中WC与GC紧密接触，有利于传质。 在此基础上，我们发 展了一种利用廉价碳源合成石墨烯的新方法。通过控制碳源基团种类和数量及其与金属离子的络合 作用程度可实现低缺陷、高导电性石墨烯的原位自生模板可控制备。所得的石墨烯 (Graphe