[发明专利]一种碳化二钨反蛋白石复合微纳结构的电催化电极及其制备和析氢应用

说明书

本发明属于清洁能源材料技术领域，公开了一种碳化二钨(W₂C)反蛋白石复合微纳结构的电催化电极及其制备方法和析氢应用。该电催化电极是将预处理的基底垂直放入聚苯乙烯微球悬乳液中，经干燥Ⅰ，聚苯乙烯微球以自组装的形式在基底表面形成紧密有序排列的多层模板，将多层模板取出，经干燥Ⅱ后，将该模板浸泡在WO₃前驱体溶液中，空气干燥Ⅲ，升温Ⅰ至500～550℃保温Ⅰ，自然降到室温，得到WO₃反蛋白石；在WO₃反蛋白石表面电沉积聚吡咯，在氩气和氢气混合气氛中，升温Ⅱ至800～850℃保温Ⅱ，自然降到室温制得。本发明方法简单，所得W₂C反蛋白石具有大比表面积和高导电性，在电催化析氢方面有广泛的应用潜力。

技术领域

本发明属于清洁能源材料技术领域，更具体地，涉及一种碳化二钨(W₂C)反蛋白石复合微纳结构的电催化电极及其制备和析氢应用。

背景技术

氢能作为一种清洁的燃烧燃料，已经引起了人们对解决全球变暖和能源危机的高度重视。氢能资源的成本效益生产是实现氢能经济的关键。在各种制氢方法中，析氢反应(HER)被认为是一种环保、经济、纯度高的制氢方法。以在酸性电解液中电解水为例，HER通常伴随着三个反应步骤。首先是Volmer步骤：H⁺+e^-→H_ads，一个质子得到一个电子后发生还原反应产生一个氢原子(H_ads)并吸附在电极表面。H_ads形成后，HER过程经过Tafel步骤(2H_ads→H₂)或Heyrovsky步骤(H_ads+H⁺+e^-→H₂)或两者兼有进行。此外，开发高活性和耐用的电催化剂对其大规模的实际应用是一个巨大的挑战。

然而，对于HER来说，高性能的催化剂大多局限于贵金属(Pt、Ir、Ru等)，贵金属可降低电极表面生成H₂的活化能。众多的理论计算和实验测试结果都表明了Pt的高催化活性，但是Pt作为一种贵金属在地球上的含量非常低，高昂的价格成为限制了Pt在工业上的大规模应用。为了在降低成本的同时又获得高性能的HER电催化剂，研究人员进行了广泛的探索。目前，针对HER电催化剂的研究策略有以下四种：(1)对Pt采取结构纳米化甚至原子化的方式以暴露更多的催化活性位点，降低Pt的负载量并且提高利用率；(2)通过理论计算与实验相结合的研究方式设计合成出低|ΔG_H*|值的非贵金属基催化剂，并且探究催化活性最高的位点；(3)关注两种或多种材料之间的协同增强作用，以实现“1+12”的催化性能；(4)采用碳布(纸)、泡沫Ni(Cu/Fe等)、Ti(Mo/W等)片(网)等集流体制备三维自支撑型HER电极，以避免Nafion等粘连剂的使用影响催化剂活性位点暴露。

在迫切的需求下，人们为寻找非贵金属催化剂做出了巨大的努力。在过去的十年中，许多过渡金属氮化物、硫化物和磷化物催化剂被认为是替代贵金属用于能源转化和储存的有前途的候选，特别是在HER领域。实际上，过渡金属(MoS₂、MoC、MoP、WC、W₂C、WS₂、WP等)以其独特的电子结构和丰富的地球资源，显示出了替代铂族贵金属催化剂的巨大潜力。特别是碳化钨被报道具有优越的表面性能，由于电子从碳间质原子转移到W 5d轨道，费米能级上的电子态密度与铂的电子密度非常相似。早期的研究主要集中在WC上，WC具有优异的热稳定性和化学稳定性。但是，该碳化物家族中其他化合物的研究较少，理论计算表明，由于W₂C费米能级上电子态密度较高，吸附氢的吉布斯自由能较低，是一种更适合于HER的催化剂。为了克服热力学和动力学障碍，使碳原子结合成金属的晶格，高温(950K)是必要的，然而高温将导致无法控制的粒子聚集，导致极低的比表面积，相对较低的导电率，较大的起始过电压，从而表现出较差的催化活性。

发明内容