氧化鎢和碳化鎢納米纖維的電紡法制備及其電催化性能.pdf

1、碳化鎢(WC)和氧化鎢(WO3)都具有多方面的功能特性,因而具有重要的應(yīng)用潛力。WC由于其表面電子結(jié)構(gòu)與鉑類似,作為催化劑在許多化學(xué)反應(yīng)中都表現(xiàn)出良好的催化活性;特別是作為燃料電池陰極氧還原催化劑展現(xiàn)了明顯的催化活性和很強(qiáng)的抗 CO毒化能力,有可能替代貴金屬成為一種廉價(jià)的燃料電池催化劑。WO3由于其獨(dú)特的氣敏性質(zhì)、優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)以及光催化活性,使得其在氣體傳感器、場(chǎng)發(fā)射器件和光催化劑等方面都有很好的應(yīng)用潛力;同時(shí)WO3作為燃料電池陽(yáng)極

2、催化劑也顯示了明顯的催化活性,具有良好的應(yīng)用前景。本文利用靜電紡絲法制備了WC納米纖維、WO3納米纖維以及表面具有納米片狀結(jié)構(gòu)的WO3納米片纖維,并研究了其針對(duì)燃料電池催化劑應(yīng)用的電催化活性。其中 WC納米纖維對(duì)燃料電池陰極氧還原反應(yīng)(ORR)表現(xiàn)出了良好的電催化活性;WO3納米纖維以及 WO3納米片纖維對(duì)酸性電解液中陽(yáng)極氫氧化反應(yīng)表現(xiàn)出了突出的電催化活性。本論文的主要研究工作如下:
　　以偏鎢酸銨(AMT)為鎢源,聚乙烯吡咯烷酮

3、(PVP, Mw=1300000)為粘結(jié)劑,利用電紡法制備了AMT/PVP前驅(qū)體納米纖維。主要研究了電紡溶液中 AMT和PVP的濃度對(duì)前驅(qū)體纖維形貌的影響。建立了制備結(jié)構(gòu)可控的AMT/PVP前驅(qū)體納米纖維的電紡工藝。
　　通過(guò)對(duì)AMT/PVP前驅(qū)體納米纖維的氧化處理制備了直徑在80-300nm的WO3納米纖維。測(cè)試了酸性溶液中WO3納米纖維對(duì)氫氧化反應(yīng)的電催化活性,研究了WO3納米纖維的直徑和成分對(duì)其氫氧化電催化活性的影響。通過(guò)加

4、入炭黑改善導(dǎo)電性的方法提高了WO3納米纖維的電化學(xué)活性,研究了電化學(xué)活性對(duì)炭黑加入量與WO3纖維之間比例的依賴關(guān)系,并獲得了其最佳值。
　　采用酸化處理制備了具有納米片狀結(jié)構(gòu)的WO3納米片纖維,通過(guò)施加電場(chǎng)控制反應(yīng)速率實(shí)現(xiàn)了納米片結(jié)構(gòu)的控制生長(zhǎng)。研究了前驅(qū)體氧化鎢納米纖維的制備溫度和酸化處理施加電壓值對(duì)納米片結(jié)構(gòu)、相組成和電催化性能的影響,獲得了優(yōu)化工藝參數(shù)。制備了由厚度從幾納米到幾十納米、長(zhǎng)度從幾十納米到幾百納米不等的納米片組成

5、的WO3納米片纖維。測(cè)試了其對(duì)酸性電解液中陽(yáng)極氫氧化反應(yīng)的電催化活性,獲得了迄今報(bào)道最高的氫氧化電催化活性,在相同峰電位時(shí)其峰電流密度遠(yuǎn)高于20wt％-Pt/C(E-TEK)催化劑,表現(xiàn)出了突出的氫氧化電化學(xué)活性。
　　以AMT/PVP納米纖維為前驅(qū)體,首先制備 WO3納米纖維,然后通過(guò)在CH4/H2混合氣氛中碳化處理制備了WC納米纖維。所制備WC納米纖維的最小直徑在40-50nm左右。測(cè)試了WC納米纖維對(duì)燃料電池陰極氧還原反應(yīng)的

6、電催化活性,獲得了良好的氧還原電催化活性。
　　靜電紡絲法是一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、多功能的連續(xù)納米纖維制備方法。本文采用靜電紡絲法制備的WC納米纖維、WO3納米纖維和WO3納米片纖維作為催化劑或催化劑載體具有多方面的優(yōu)勢(shì),如直徑小,制備方法簡(jiǎn)單、成本低,其連續(xù)納米纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其不會(huì)發(fā)生團(tuán)聚,從而保持大的活性面積,而納米片纖維除了具有如上優(yōu)點(diǎn)外其納米片生長(zhǎng)于纖維表面的結(jié)構(gòu)避免了二維納米片常見(jiàn)的團(tuán)聚現(xiàn)象。本論文所制備的WC納米纖維、WO