[发明专利]一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，由硫化物形式的W和S组成，并包裹在石墨烯中后负载在碳纸上，其通式为W_xS_y@CP，式中0≤x/y≤10。此外，还公开了上述原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法。本发明集成的W_xS_y@CP催化剂电极具有高的电导率、高的理论电容、循环稳定性和耐久性等显著优点，可广泛应用于各种析氧电解催化，具有低成本和环境友好的优势。本发明制备方法成本低、简单且适用性强，为设计新的高性能催化剂和稳定的电极材料提供了新的思路，对于工业应用具有极大的价值。

技术领域

本发明涉及催化材料技术领域，尤其涉及一种钨金属催化剂及其制备方法。

背景技术

为了解决不断增长的能源需求和气候变化问题，清洁能源转换和存储系统已经吸引了越来越多科学家的兴趣，例如电解水装置、可充电金属空气电池和燃料电池。在电解水中，析氧反应是一个限速步骤，通常与缓慢的动力学和高的过电势联系在一起。为了解决这个问题，已经投入了大量的努力去开发高效率、低成本的OER催化材料，特别是最先进的贵金属的廉价取代材料，诸如RuO_x和IrO_x。过去几十年中，过渡金属氧化物及其衍生物由于其丰富的储量、低成本、环境友好和高的催化活性被广泛研究。在这些催化材料中，钴基、镍基和铁基氧化物、硫化物、磷化物和其衍生物研究的最多，已经被证明是可以与贵金属催化剂相媲美了。

但是在不同的介质中，电化学OER通常会以不同的方式进行。在酸性溶液中，水被氧化成氧气和氢离子，而在中性和碱性溶液中，氢氧根离子被氧化成水和氧气。不管OER发生在哪种介质中，OER在25℃时的热力学电势值为1.23V(相当于可逆氢电极(RHE))。但是，与热力学电势值相比，通常我们必须施加更高的电势促进电化学OER，因此这会消耗过多的能量并降低转换效率。额外的电势(也称为超电势)主要是由固有的反应活化势垒和其他一些电阻(如溶液电阻和接触电阻)引起的。因此，非常需要开发用于OER的高效和成本低的电催化剂。

目前，虽然对于过渡金属双金属催化剂的报道较多，但是尚未见到关于原位生长硫和石墨烯的钨单金属电解水催化剂的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，以获得高催化活性、性能稳定的钨单金属电解水催化材料。本发明的另一目的在于提供上述原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂，由硫化物形式的W和S组成，并包裹在石墨烯中后负载在碳纸上，其通式为W_xS_y@CP，式中0≤x/y≤10。

本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的上述原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照比例钨酸铵或者钨酸钠∶双氧水∶盐酸＝0.5～10g∶1～20ml∶5～50ml，将钨酸铵或者钨酸钠加入由双氧水和盐酸组成的混合溶液中搅拌均匀，得到含钨的浆料；

(2)碳纸依次用乙醇和去离子水浸泡5～30min后，经超声波清洗、干燥后，得到处理后的碳纸；

(3)将所述处理后的碳纸置于含钨的浆料中浸渍5～30min后，在250～750℃温度下煅烧5～120min，获得负载有钨氧化物的碳纸；

(4)将所述负载有钨氧化物的碳纸放入管式炉中、在氦气或氩气保护下，通入CS₂溶液，在500～1000℃温度下处理1～5h，冷却至室温，即制得原位生长硫和石墨烯的钨金属催化剂。

本发明具有以下有益效果：