[发明专利]一种纳米钨氧化物及其一步气相还原制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于一种具有亚化学计量比的钨氧化物WO_2.9纳米材料，该材料采用一步气相还原法制备而成，在电催化析氢方面具备优异性能，在其他能源开发和环境保护领域也具备潜在应用性能。

背景技术

随着时代进步与科技发展，能源已经成为影响人类社会的一个重要因素。目前，煤炭、石油、天然气等传统能源在世界的经济发展中依然占有举足轻重的作用，但是这些资源在地球上的储量却很有限，能源危机已经成为当前人类亟待解决的问题。在众多能源中，氢是一种清洁、可循环利用的物质，被认为是一种理想能源载体，可以高效地转变为可利用的有效能而不带来环境问题。电解水制氢是最有前景、最洁净的制氢方法之一，但由于析氢过电位的存在导致能耗增加，所以开发具有高活性的析氢材料来提高产氢效率这一课题已经被广泛研究。传统的可有效降低析氢过电位的电极材料主要为Pt、Pd等贵金属，但是这些金属材料在地球上的储量稀少，价格昂贵，无法实现大规模的推广。因此，开发和研究一种高催化活性且成本价低的析氢电极具有重要的理论意义和实用价值。

本发明中利用一步气相还原法在三氧化钨上直接合成亚化学计量比的纳米尺寸钨氧化物WO_2.9。这种材料在合成时，过程安全，无毒且原材料价格低廉、产物析氢性能好，当其析氢过电位在-70mV时，电流密度为10mA/cm²；当过电位为-94mV时，电流密度可达到20mA/cm²，是一种取代贵金属析氢的较好材料。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种纳米钨氧化物及其一步气相还原制备方法和应用，制备方法简单，成本低。所制备的纳米材料具有较低的析氢电势，具有优异的电催化析氢性能。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单， 有利于大规模的生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米钨氧化物，所述钨氧化物的分子式为WO_2.9，尺寸为50～200纳米，形状为椭球形纳米颗粒、晶形为单斜相。

一种纳米钨氧化物的一步气相还原制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.5～2g三氧化钨分散于10～50mL无水乙醇中球磨1～48h，然后用去离子水冲洗干净，自然风干待用；

(2)取0.5～2g步骤(1)得到的风干后三氧化钨置于管式炉中的石英方舟内，以0.05～0.3L/min通入充分混合的载气，反应30～120min，得到纳米尺寸钨氧化物颗粒；

所述管式炉的温度为300～600℃，所述载气是氩气与氢气的混合气；

(3)取出石英方舟，用蒸馏水和无水乙醇将石英方舟内得到的物质依次洗涤数次，60～100℃下干燥1～3h，即得到纳米钨氧化物WO_2.9，其尺寸为50～200纳米，形状为椭球形纳米颗粒、晶形为单斜相。

上述纳米钨氧化物的应用，用于电催化分解水制氢。

上述应用方法如下：0.1～0.5摩尔/升硫酸水溶液为电解液溶液，所述钨氧化物借助Nafion成膜剂溶液置于玻碳电极表面作为工作电极，以银－氯化银电极为参比电极、石墨棒电极为对电极，测试温度为20～25℃；当其析氢过电位在-70mV时，电流密度为8～12mA/cm²；当过电位为-94mV时，电流密度可达到15～25mA/cm²。

本发明的有益效果在于：

(1)采用简单的一步气相还原法合成纳米尺寸钨氧化物材料WO_2.9，合成方法简单，操作简便，条件温和，目标产物纯度高，安全无毒，可以大批量合成；

(2)将纳米尺寸钨氧化物WO_2.9作为析氢电催化剂，结果表明其具有较好的析氢性能且过电位较低。当其析氢过电位在-70mV时，电流密度为10mA/cm²；当过电位为-94mV时，电流密度可达到20mA/cm²；

(3)制备过程中，所有试剂均为商业产品，不需要进一步处理；

(4)合成方法简单，得到的材料易于应用，有利于在工业化生产中推广应 用，用于氯碱工业、电解水工艺、太阳能电解水制氢以及电化学制氢等体系中的析氢材料。

附图说明

图1是实施例1所制备的钨氧化物的电子照片；

图2是实施例1所制备的钨氧化物膜作为工作电极的析氢线性扫描曲线；

图3是实施例1所制备的钨氧化物膜作为工作电极在-100mV下的计时电流曲线图；