一种碳负载WC1-x纳米材料的制备方法及应用

：本发明涉及电催化材料制备，具体涉及一种碳负载wc1-x纳米材料的制备方法与应用。

背景技术

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背景技术：

1、随着科技的不断进步发展，能源短缺问题和环境污染问题也逐步引起人们的重视和关注。开发出具有低成本、高性能的材料对于缓解能源和环境危机具有重要意义。新型纳米材料在科学和工程领域的广泛应用源于其独特的特性和显著的优势，这些特性与传统材料有明显差异。首先，纳米材料的尺寸通常在纳米级别，因此表现出尺寸效应，影响了其电子结构、光学特性和导电性等方面。其次，纳米材料具有大的比表面积，这使得相同质量的纳米材料可以提供更多的表面区域用于化学反应，从而增加了反应速率和效率。这些特点使纳米材料在新能源转化方面具有广泛的应用前景，包括电解水制氢领域、燃料电池、储能技术等领域，有助于提高能源利用效率、推动可再生能源和清洁能源技术的发展。

2、在众多的纳米材料中，碳化物具有广泛的应用和多项优势。它们被广泛用于电解水制氢、甲烷转化、co2还原和氮氧化物去除等领域。碳化物的优势包括出色的催化活性和高温稳定性，有助于提高反应速率和选择性。此外，碳化物通常具有良好的导电性和大的比表面积，这有助于提高反应效率。最重要的是，碳化物的性能可以通过晶体结构、掺杂和表面修饰来进行调整和优化，使其成为纳米催化领域中备受青睐的催化剂材料，为能源转化效率提升、环境污染减少和可持续发展做出了重要贡献。价键理论认为一些过渡金属如铂、钼、钨、镍、钴等及其合金具有特殊的d轨道电子结构，有利于氢中间物种的吸脱附，在析氢反应中有较高的电催化活性。碳化钨材料具备良好的抗中毒能力，且在电解水制氢反应中表现出了可观的催化性能。因此，制备合适的碳化钨材料，并将其利用在析氢反应中，具有较大的应用前景。而传统工业上制备碳化钨的方法温度高(>1500℃)、碳化时间长(>5小时)、工艺复杂等缺点，生产过程能耗高，不符合节能减排的社会需求。此外，传统方法生产出来的碳化钨尺寸通常比较大，由于块体较大，在一些电催化反应中缺少活性位点导致催化性能比较差。因此，开发制备工艺简单、节能的含有小尺寸碳化钨纳米颗粒的电催化材料对电催化能源转化与存储领域的发展具有重大意义。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种碳负载wc1-x(c@wc1-x)纳米材料的制备方法，通过简单温和条件下使盐酸多巴胺和钨盐发生聚合反应获得前驱体，采用快速高温退火法对前驱体进行热处理获得目标材料。本发明所述制备方法可以大大缩短制备周期，降低生产成本；相比于传统六方晶系wc材料，本发明制备的c@wc1-x纳米材料中wc1-x纳米颗粒具有立方相结构，并且颗粒尺寸较小；本发明制备的c@wc1-x纳米材料作为催化剂应用于碱性电解液中的电催化析氢反应时的催化性能接近商用铂碳(pt/c)催化剂，可作为贵金属铂基催化剂的替代品。

2、本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：

3、本发明的目的之一是提供一种c@wc1-x纳米材料的制备方法，包括以下制备步骤：

4、(1)向去离子水中加入钨酸铵和盐酸多巴胺，用氨水调节ph值，通过聚合反应得到前驱体；

5、(2)对上述前驱体进行快速高温退火处理，得到c@wc1-x纳米材料。

6、本发明以去离子水为溶剂，提高工艺环保性，降低溶剂成本。

7、优选地，所述钨酸铵与盐酸多巴胺的质量比为313:(200～400)。

8、优选地，所述ph值为8～9。在碱性条件下采用液相反应法制备前驱体。

9、优选地，所述聚合反应的温度为24～32℃，时间10～12小时。

10、优选地，所述快速高温退火处理的温度为800～1200℃，时间为10～30秒。

11、优选地，所述快速高温退火处理是在惰性气体气氛下进行。

12、本发明的目的之二是提供一种通过上述的制备方法得到的c@wc1-x纳米材料。所述c@wc1-x纳米材料的主体形貌呈花状，骨架成分为碳，其中wc1-x纳米颗粒均匀地负载在花状碳骨架上，wc1-x纳米颗粒为立方晶体结构，空间群为fm-3m。

13、本发明的目的之三是提供上述的c@wc1-x纳米材料在电化学催化反应中的应用。

14、优选地，所述电化学催化包括析氢反应，特别是碱性析氢反应。

15、本发明的有益效果是：

16、(1)本发明采用快速高温退火法获得c@wc1-x纳米材料，克服了传统管式炉升温缓慢、处理时间长、高能耗的缺点。

17、(2)本发明制备的c@wc1-x纳米材料形貌呈花状，其中c@wc1-x为立方晶体结构，并且颗粒尺寸较小，可能在电催化反应中具有与贵金属铂基催化剂接近的催化性能，可作为贵金属铂材料的替代品。

18、(3)本发明制备的c@wc1-x纳米材料对碱性析氢反应的催化性能接近商用20％ pt/c催化剂。

19、(4)本发明提供的制备方法不采用易燃化学品，安全环保，并且操作简便。

技术特征：

1.一种c@wc1-x纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下制备步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述钨酸铵与盐酸多巴胺的质量比为313:(200～400)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述ph值为8～9。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚合反应的温度为24～32℃，时间为10～12小时。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述快速高温退火处理的温度为800～1200℃，时间为10～30秒。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述快速高温退火处理是在惰性气体气氛下进行。

7.通过权利要求1～6任意一项所述的制备方法得到的c@wc1-x纳米材料。

8.权利要求7所述的c@wc1-x纳米材料在电化学催化反应中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述电化学催化反应包括电化学析氢反应。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述析氢反应为碱性析氢反应。

技术总结
本发明公开了一种碳负载WC<subgt;1‑x</subgt;纳米材料的制备方法与应用，涉及电催化材料制备技术领域，本发明采用快速高温退火法获得C@WC<subgt;1‑x</subgt;纳米材料，克服了传统管式炉升温缓慢、处理时间长的缺点；所述C@WC<subgt;1‑x</subgt;纳米材料中碳骨架的形貌呈花状，立方结构的WC<subgt;1‑x</subgt;纳米颗粒均匀地负载在碳骨架中；并且所述C@WC<subgt;1‑x</subgt;纳米材料在碱性条件下的电催化析氢反应的性能接近商用Pt/C催化剂，可作为Pt/C催化剂的替代品。

技术研发人员：林运祥,王其鑫
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17