[发明专利]一种蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂的制备方法与应用

说明书

本发明属于电催化剂制备技术领域，具体公开了一种蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂的制备方法与应用，采用球形模板利用高温还原法一步制备蜂窝状“石墨烯/碳化钨”复合体，球形模板作为支架，将碳化钨和石墨烯负载于球形模板表面，由于选用了一些富含碳源、且容易高温分解的聚合物微球，其在高温还原的过程中球形模板分解放出含碳气体，因此能够与钨源反应生成粒径极细的蜂窝状石墨烯/WC，同时高温过程中球形模板自动分解消失，无需额外的模板清除步骤，这种三维蜂窝状的“石墨烯/碳化钨”复合体具有更高的比表面积，更强的导电能力和稳定性；为高性能的WC基“协同效应”的“低铂电催化剂”发展提供新的发展策略。

技术领域

本发明涉及电催化剂制备技术领域，更具体地，涉及一种蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂的制备方法与应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借着其环境友好、启动迅速、功率密度和能量密度高等优点，在便携式移动电源、汽车动力电源、大型固定发电装置等方面显示出广阔的应用前景，PEMFC的阴极氧化还原反应（ORR）是电催化反应的速度控制步骤，ORR电催化剂的研究和开发已成为了燃料电池领域的重要课题。铂（Pt）金属是目前性能最优异的ORR电催化剂，然而铂价格昂贵和资源匮乏限制了其规模化应用，因此，开发高效率低成本的ORR“低铂电催化剂”对于推进PEMFC技术的发展和商业化具有重要的意义。

基于“协同效应”的“低铂电催化剂”，是目前应用前景最为明朗的发展方向之一。作为一个物理化学性能相对稳定的“协同组分”，碳化钨（WC）受到了广泛的关注，已经成功跃升于高性能低铂ORR电催化剂的设计。诸多理论研究表明，WC“协同效应”的根源主要是基于WC“强给电子”特性所诱发的增强作用。然而，在实际应用中碳化物的电子导电性能十分欠缺，远远未能达到电催化反应中电子的快速转移和多方传输的要求。因此，开发一种电子导电性能力高和网络结构发达的载体材料用于WC和Pt两组分的耦合与连接，将是WC基“协同效应”的“低铂电催化剂”发展的一项重要任务。

目前，最新发展的“石墨烯”纳米碳材料有望成为新一代高性能ORR电催化剂载体材料，主要取决于其高比表面积、高电导率以及优良化学/电化学稳定性。然而，当前石墨烯材料的发展仍然面临着一系列亟待解决的问题，诸如化学还原氧化石墨烯的导电性和稳定性不足、原始石墨烯亲水性较差、单片石墨烯容易堆叠团聚致使材料的实际表面积不够高，在过往报道的“石墨烯/WC/Pt”催化体系中大多数未能发挥石墨烯应有的高性能效用；现有技术有研究将碳化钨纳米颗粒分散于石墨烯片层结构上，制备得到的WC/RGO再负载上纳米颗粒铂，然而其采用的两步制备方法最后获得的石墨烯结构仍然是片状结构，仍然存在容易堆叠团聚致使材料的实际表面积不够高的问题，从而影响其导电能力和稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂的制备方法。

本发明的第二个目的是提供上述方法制备得到的蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂。

本发明的第三个目的是提供上述蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1. 蜂窝状石墨烯/碳化钨复合体的制备：a. 将球形模板、钨源、氧化石墨烯均匀分散于水中，干燥至粘稠浆状为止；b. 干燥后的产物以1～10℃/min的升温速率将温度升至800～900℃，于惰性气体下反应后经粉碎过筛后制备蜂窝状石墨烯/碳化钨复合体，粉碎后蜂窝状石墨烯/碳化钨复合体的粒径为10～30µm；

S2. 铂前驱体和表面活性剂溶解于甘油和乙二醇混合液中，加入S1制备得到的蜂窝状石墨烯/碳化钨复合体，经回流热处理、过滤干燥即得蜂窝状石墨烯/碳化钨/铂金复合电催化剂；