碳化钨/二氧化钛纳米复合材料的制备与电催化活性

论文摘要

碳化钨具有类铂性能,但其催化性能远远低于铂。当其与二氧化钛形成复合材料以后,催化性能得到了明显提升,再加上低廉的价格和不易中毒等优点,越来越受到研究者的关注。本文通过球磨法和浸渍法与原位还原碳化相结合,制备了碳化钨/二氧化钛纳米复合材料,采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等分析测试手段对样品进行了表征,并采用粉末微电极测试了样品的电催化性能。通过上述工作取得了以下主要研究结果：在对硝基苯酚电还原过程中,球磨法样品在酸中碱三个体系中对对硝基苯酚均有电催化活性,与纯TiO2和WC相比,复合材料的电催化活性得到了明显的提升。研究表明,样品的电催化性能与晶相组合有关,其中,晶相组合为WC（1-x）/TiO2+Ti6O11的电催化性能最好；样品的电催化性能还与溶液的性质有关。其中,酸性溶液中样品的电催化性能最好,碱性溶液中样品的电催化性能最差,这与对硝基苯酚的电还原是加氢反应有关,酸性溶液中氢离子含量高,更有利于对硝基苯酚的电还原反应。在甲醇电催化氧化过程中,球磨法和浸渍法样品在酸中碱三个体系中对甲醇均有电催化活性,与纯TiO2和WC相比,复合材料的电催化活性得到了明显的提升。样品的电催化性能与三个方面有关：（1）与晶相组合有关,其中,晶相组合为W2C+WC/Ti02的电催化性能最好；（2）与溶液性质有关,其中,碱性溶液中样品的电催化性能最好,酸性溶液中样品的电催化性能最差,这与溶液中的氢氧根离子有关,碱性溶液中氢氧根离子含量高,TiO2易于溶液中的氢氧根离子生成羟基自由基,羟基自由基有利于甲醇的氧化；（3）与钨钛摩尔比有关,其中,钨钛摩尔比为1：3时性能最好。比较球磨法和浸渍法样品的性能时发现,在还原碳化时间短于5h的情况下,浸渍法的性能优于球磨法,还原碳化时间长于5h的情况下,球磨法的性能优于浸渍法。实验结果表明,两种方法制备的复合材料都有较好的电催化性能,相比纯TiO2和WC电催化活性得到了明显的提升,说明TiO2和WC两者之间存在协同效应。其中由于制备工艺的不同,还原碳化时间对性能的影响很大。通过考察各种因素对性能的影响,得出优化工艺参数为：球磨法制备样品时,还原碳化时间应该控制在5h以上；浸渍法制备样品时,还原碳化时间应该控制在5h以下,钨钛摩尔比控制在1：3以下。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳化钨的概述
• 1.1.1 碳化钨的历史背景
• 1.1.2 碳化钨的结构特性
• 1.1.3 碳化钨的制备方法和原理
• 1.2 碳化钨电催化性能的影响因素
• 1.2.1 碳化钨晶体结构及粒径的影响
• 1.2.2 自由碳和碳缺陷的影响
• 1.2.3 氧含量的影响
• 1.2.4 制备原料的影响
• 1.2.5 制备方法的影响
• 1.3 目前国内外对碳化钨的研究现状
• 1.3.1 微米亚微米级碳化钨粉末的制备
• 1.3.2 介孔空心球状碳化钨的制备
• 1.3.3 碳化钨纳米复合材料的制备
• 1.4 碳化钨催化剂的主要应用
• 1.4.1 氢气的电催化氧化
• 1.4.2 甲醇的电化学氧化
• 1.4.3 有机物的异构化反应
• 1.4.4 加氢脱氢反应
• 1.4.5 烷烃重整反应
• 1.5 二氧化钛核壳结构材料研究进展
• 1.6 本文的选题及其意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 仪器设备与试剂材料
• 2.1.1 仪器设备
• 2.1.2 主要试剂材料
• 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 工艺流程图
• 2.3.2 实验步骤与研究内容
• 第三章 纳米碳化钨与二氧化钛复合材料的制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 样品制备
• 3.2.1 球磨法制备前驱体
• 3.2.2 浸渍法制备前驱体
• 3.2.3 碳化钨/二氧化钛复合材料制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 样品TA-n的XRD结果
• 3.3.2 样品TA-a：b-n的XRD结果
• 3.3.3 TA-n的SEM结果
• 3.3.4 样品的TEM和STEM结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 球磨法制备样品的电化学性能
• 4.1 引言
• 4.2 粉末微电极的制备及电化学性能测试
• xC/TiO₂对对硝基苯酚的电催化活性'>4.3 样品W_xC/TiO₂对对硝基苯酚的电催化活性
• 4.3.1 酸性溶液下的电化学性能
• 4.3.2 中性溶液中的电化学性能
• 4.3.3 碱性溶液中的电化学性能
• 4.3.4 不同溶液中电化学性能比较
• xC/TiO₂对甲醇的电催化活性'>4.4 样品W_xC/TiO₂对甲醇的电催化活性
• 4.4.1 酸性溶液下的电化学性能
• 4.4.2 中性溶液下的电化学性能
• 4.4.3 碱性溶液下的电化学性能
• 4.4.4 不同溶液中电化学性能比较
• 4.5 本章小节
• 第五章 浸渍法制备样品的电化学性能
• 5.1 引言
• xC/TiO₂对甲醇的电催化活性'>5.2 样品W_xC/TiO₂对甲醇的电催化活性
• 5.2.1 酸性溶液下的电化学性能
• 5.2.2 中性溶液下的电化学性能
• 5.2.3 碱性溶液下的电化学性能
• 5.3 样品TR与样品TA电催化性能的比较
• 5.4 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢