WC/天然沸石纳米复合材料的制备及其性能研究

论文摘要

碳化钨具有类铂催化性能和较强的抗一氧化碳和硫化氢中毒的能力,但其催化活性远低于铂等贵金属催化剂。为改善碳化钨的催化性能,本文将机械球磨法和浸渍法与原位还原碳化技术相结合,成功制备了碳化钨/天然沸石纳米复合材料,应用粉末微电极测试了样品的电催化性能。第一章较为详细地论述了WC的结构、性质和制备方法;介绍了天然沸石的结构性质和与沸石有关的复合材料的应用,为论文选题和实验展开熟悉了研究背景。第二章介绍了实验的内容,测试方法以及相关的测试仪器,为实验的开展准备了基础条件。第三章主要研究了碳化钨/天然沸石纳米复合材料的制备方法与微结构表征。首先,对天然沸石预处理,得到微米级的天然沸石粉,并进行酸化。实验表明,酸处理之后,天然沸石的比表面积明显增大,可达50.14 m2/g;其次,在微米级沸石粉的基础上,通过机械球磨（浸渍）,使其与偏钨酸铵（六氯化钨）反应获得了复合材料前驱体;然后将前驱体原位碳化得到了碳化钨沸石纳米复合材料;最后采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X-射线能量散射谱（EDS）、透射电镜（TEM）以及X-射线光电子能谱仪（XPS）等分析手段对样品进行了表征。结果表明,复合材料由丝光沸石、斜发沸石、石英、一碳化钨和碳化二钨构成。其中,一碳化钨的晶粒在30nm左右,碳化二钨的晶粒在20nm左右;碳化钨均匀分布于天然沸石表面,形成以沸石为核,碳化钨为壳的纳米复合材料;一碳化钨和碳化二钨的含量随着反应时间的变化而变化。第四章主要研究了复合材料在酸中碱三种体系中对对硝基苯酚的电催化还原性能。实验结果表明,在酸性体系下,复合材料对对硝基苯酚具有良好的电催化活性,还原过程受吸附控制,同时对硝基苯酚在酸性体系下发生了两步反应,分别是:消除、加成;在中性体系下,反应4小时的复合材料对硝基苯酚的性能最佳;碱性体系下,样品的整体性能较弱。对对硝基苯酚的电催化活性而言,机械球磨法制备复合材料优化工艺参数:还原碳化4小时;还原碳化温度900℃;还原气氛为CH4/H2（1:9）;硅钨比为2:1;球磨转速400r/min。实验结果还表明,碳化钨与天然沸石形成复合材料后,在对对硝基苯酚的电催化还原作用中具有明显的协同效应。第五章主要研究了在酸中碱体系中复合材料对甲醇进行了电催化氧化性能。采用机械球磨法制备的复合材料在碱性体系下对甲醇的电催化氧化活性优于纯WC,且甲醇氧化的第二个氧化峰受扩散控制;在酸性和中性体系下,复合材料对甲醇的电催化氧化性能相对较弱,只表现出了一定的催化活性;采用浸渍法制备复合材料的优化工艺参数:还原碳化4小时样品性能最好;还原碳化温度900℃;还原气氛为CH4/H2（1:9）;硅钨比1:2较合适。实验结果还表明,两种方法制备的碳化钨与天然沸石纳米复合材料,对甲醇的电催化氧化作用中都具有明显的协同效应,且要得到高活性的的WC/天然沸石纳米复合材料其硅钨比必须在一个合理的比值,适量的沸石和WC含量都能提升其性能,如果过量,则会适得其反。综上所述将碳化钨负载到天然沸石表面是提高碳化钨电催化活性的有效技术方法之一。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1. 碳化钨的结构特点
• 1.2. 碳化钨的制备方法
• 1.3. 碳化钨制备过程的反应机理
• 1.4. 沸石的性质
• 1.4.1. 离子交换
• 1.4.2. 沸石的吸附性
• 1.4.3. 热稳定性
• 1.4.4. 化学稳定性
• 1.4.5. 沸石的催化性能
• 1.5. 碳化钨纳米复合材料的研究
• 1.6. 直接甲醇燃料电池阳极材料的研究进展
• 1.6.1. 催化剂的催化机理和选择原则
• 1.6.2. 甲醇阳极氧化电催化剂的研究展望
• 1.7. 论文选题目的与意义
• 第二章 实验内容与测试方法
• 2.1. 化学药品及仪器
• 2.2. 实验方案与技术路线
• 2.2.1. 研究内容
• 2.2.2. 拟解决的关键问题
• 2.3. 实验工艺流程与步骤
• 2.3.1. 工艺流程
• 2.3.2. 实验步骤
• 第三章 WC天然沸石纳米复合材料制备及分析
• 3.1. 机械球磨法样品的制备及分析
• 3.1.1. XRD结果分析
• 3的还原碳化过程机理'>3.1.2. WO₃的还原碳化过程机理
• 3.1.3. SEM结果分析
• 3.1.4. EDS结果分析
• 3.1.5. TEM结果分析
• 3.1.6. XPS结果分析
• 3.2. 浸渍法样品的制备及分析
• 3.2.1. 天然沸石的酸处理及结果分析
• 3.2.2. 样品XRD结果分析
• 3.2.3. TEM结果分析
• 3.3. 本章小结
• 第四章 对硝基苯酚电化学性能的研究
• 4.1. 电化学测试装置
• 4.2. 粉末微电极的制备
• 4.3. 样品对硝基苯酚的电还原性能
• 4.3.1. 酸性体系
• 4.3.2. 中性体系
• 4.3.3. 碱性体系
• 4.3.4. 硅钨比的影响
• 4.3.5. 球磨转速的影响
• 4.4. 本章小结
• 第五章 甲醇电氧化性能的研究
• 5.1. 机械球磨法制备样品对甲醇电氧化研究
• 5.1.1. 碱性体系
• 5.1.2. 酸性体系
• 5.1.3. 中性体系
• 5.2. 浸渍法制备样品对甲醇电氧化研究
• 5.2.1. 碱性体系
• 5.2.2. 中性体系
• 5.2.3. 酸性体系
• 5.3. 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1. 结论
• 6.2. 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表情况
• 致谢