[发明专利]一种高结合度纳米WC基二元复合材料的制备方法和应用

说明书

一种高结合度纳米WC基二元复合材料的制备方法和应用，该制备方法包括：1)将钨源、氯化亚锡溶液和草酸加入到去离子水中，搅拌均匀后得到混合溶液；2)将混合溶液进行水热反应得到前驱体颗粒；3)将前驱体颗粒进行煅烧获得煅烧后的粉体材料；4)将煅烧后的粉体材料与高纯白锡粉混合均匀后进行压片，并在氮气气氛下再次煅烧获得块状烧结材料；5)块状烧结材料采用程序升温‑气固反应法在H₂和CO的混合气氛中进行碳化得到WC‑Sn复合材料；6)将WC‑Sn复合材料在盐酸中进行缓慢溶解并活化；7)将氯铂酸溶液加入到WC‑Sn复合材料中进行置换载铂得到PtSn/WC复合材料。该PtSn/WC复合材料可作为电催化剂应用于甲醇燃料电池中，可明显提高催化效率和催化剂使用寿命。

(一)技术领域

本发明涉及一种高结合度纳米WC基二元复合材料的制备方法和作为电催化剂在甲醇燃料电池中的应用。

(二)背景技术

近年来，碳化钨(WC)由于拥有众多的应用领域而备受关注，尤其是在催化领域，作为一种性能优良的非贵金属催化材料载体受到广泛的研究。例如直接醇类燃料电池阳极铂基催化剂制备过程中常常引入WC作为载体，因为WC 是一种高硬度、耐腐蚀和稳定性较强的特殊材料，且与铂具有类似的外层电子结构从而表现出类铂催化性能。因此这两者结合的复合材料在WC与Pt的协同催化作用下性能有着大幅度的提升。

然而，高活性碳化钨复合材料的制备依然面对很多难题。一方面，WC载体的制备受碳化过程中高温团聚以及自身相对较大的比重影响，所以得到的材料比表面积较小、颗粒大，分布不均匀。这些缺点导致制备负载型催化剂时贵金属不能很好的分散在WC的表面，组分之间的结合能力不强，催化活性很难有实质性的突破。另一方面，虽然WC具有较好的导电性，但其电子传输能力从某种程度上讲依然较低。因此，面对这么多缺点，如何从整体上有效提升催化剂性能将是研究者们关注的焦点。

研究表明Pt是目前最有效的甲醇电催化氧化的一元金属催化剂，相对于其他单金属，铂虽然表现出了很好的活性和稳定性，但是由于一氧化碳(CO)类似物质的毒化作用和价格高昂以至于无法满足实际应用。为寻求具有高电催化活性和稳定性好的甲醇氧化催化剂，研究较多的有Pt-Ru(铂-钌)和Pt-Sn(铂-锡) 二元复合催化剂，因为Ru和Sn均具有助催化效应。Ru的加入可能一方面促进了醇的氧化，另一方面能够使醇氧化更容易发生，而Sn的作用则可能是通过电子效应影响催化活性来实现催化性能和抗毒化能力的提升。

文献报道PtSn/C、PtSn/WC复合催化剂表现出良好的催化活性和稳定性。但是现有的PtSn/WC催化剂主要为负载型，主要通过对基体负载二元组份颗粒或者是先制备二元合金PtSn再负载在其之上来完成复合材料的制备。常用的PtSn 负载复合材料多以气相还原、化学还原法来完成，过程相对复杂，对成本、工艺标准化控制的相对较难。因此，制备条件可控、PtSn分散性良好且与WC基体结合力强的复合催化剂是显著提高PtSn纳米催化活性和稳定性的关键和重要途径。设想如果能将部分组分同步制备，减少制备步骤，则可大幅度降低生产时间和生产成本。

迄今为止，从未见到有关类似同步法制备该复合材料的报道。

(三)发明内容

本发明的第一个发明目的是提供一种纳米PtSn/WC复合材料的制备方法，所述制备方法中，Sn是在碳化生成纳米WC颗粒的步骤中同步还原得到的，并且Pt颗粒是通过置换Sn金属而获得，载铂量可控，整体制备步骤简单、成本低。

本发明的第二个发明目的是提供一种纳米PtSn/WC复合材料，该复合材料各组分间结合稳定，催化活性高，热稳定好，抗中毒能力强。

本发明第三个发明目的是提供所述纳米PtSn/WC复合材料作为电催化剂在甲醇燃料电池中的应用。

下面对本发明的技术方案具体说明如下：

本发明提供了一种纳米PtSn/WC复合催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：