WC-W2C催化材料的合成方法及其电催化还原CO2性能的测试方法

本发明涉及wc-w2c催化材料的合成方法及wc-w2c催化材料电催化还原co2性能的测试方法。

背景技术：

1、社会发展中化石燃料的大量使用，使得co2排放量增大，全球co2浓度急剧升高。使用清洁可再生能源，在温和的条件下，将co2电催化还原成具有高附加值的化学品，这种方法被认为是极有前途的和有效的方法。

2、过渡金属碳化物(tmcs)因其低廉的成本和优异的催化活性，受到广泛关注，tmcs与自身母体金属相较下，表现出更优异的催化活性与稳定性，该材料催化性能的提高得益于碳的出现。在碳化物形成后改变了金属自身原电子特性，具体表现为改变金属-原子的成键，以及金属键的距离增加，使得金属原子带收缩，这类改变使得tmcs在费米能级附近提供比碳化前更好的状态密度，进而影响结合能和吸附物的反应性。在不同的催化实验研究中，tmcs常被用作为贵金属催化剂的替代品，这是因为非贵金属碳化物，其金属共价键有着与贵金属相似的电子结构。

3、在碳化钨(wc)作为还原co2的电催化剂的研究基础上，预期使用一种简单有效的合成方式，合成具有特殊形貌的wc/w2c催化材料。在参考yan等人的研究基础上，使用两步水热法与高温煅烧法合成出具有棒状结构形貌的wc，在探索实验期间，意外地发现在水热阶段投入过量的碳源时，wc的形貌发生变化且出现w2c，在对其进行电催化还原性能测试时，发现该种材料的电流密度与催化性能相较于wc得到显著提升。则在此基础上，使用改进后的两步水热法与高温煅烧法合成出一系列催化剂，并调控合成阶段中元素w/c的比例，探究具有最佳催化性能的材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种wc-w2c催化材料的合成方法及wc-w2c催化材料电催化还原co2性能的测试方法。

2、为了实现本发明的目的，我们将采用如下所述的技术方案加以实施：

3、一种wc-w2c催化材料的合成方法，所述的合成方法包括如下所述的步骤：

4、s1、取(nh4)2so4与na2wo4·2h2o各一份且两者的摩尔比为2：1，分别溶解于的去离子水中，待两者完全溶解后，混合形成混合溶液；

5、s2、取hcl，缓慢地向混合溶液中滴加hcl，最终将混合溶液的ph值调至1.5～2.5；

6、s3、将调好ph值的混合溶液转移到高压反应釜中，在170-190℃的烘箱中保持7-9小时；

7、s4、待烘箱温度降至室温后，取出高压反应釜，并将其中的产物进行抽滤干燥，抽滤时分别用去离子水和乙醇冲洗三遍，放置在65-75℃的烘箱中干燥过夜；

8、s5，将充分干燥的wo3取出称量，得到wo3的准确质量，以wo3的准确质量为基准称取对应摩尔量2倍的葡萄糖，将称量好的两种样品溶解在30ml的去离子水中，搅拌30min；

9、s6、将混合液倒入高压反应釜中，在170-190℃的烘箱中保持7-9小时，降温后抽滤干燥得到碳包裹的wo3前驱体；

10、s7、将干燥的前驱体用研钵磨细后，放置石英舟中，在通有h2/ar混合气的管式炉中煅烧，得到wc-w2c催化材料。

11、作为本发明的优选方案，在s2中，最优的ph值为2.0。

12、作为本发明的优选方案，在s3中，最优的烘箱温度为180℃，最优的保持时间为8小时。

13、作为本发明的优选方案，在s4中，最优的烘箱温度为70℃。

14、作为本发明的优选方案，在s6中，最优的烘箱温度为180℃，最优的保持时间为8小时。

15、作为本发明的优选方案，在s7中，最优煅烧温度为900℃，煅烧时间为3小时。

16、测试wc-w2c催化材料电催化还原co2性能的方法，所述的wc-w2c催化材料电催化还原co2选用气密h-型电解池作为反应容器，使用khco3电解液，其特征在于，所述测试方法包括如下所述的步骤：

17、s1、线性扫描伏安测试：采用lsv法测试电催化剂在ar和co2饱和溶液中的伏安曲线，以判定所制备的材料是否具有电催化活性；

18、s2、法拉第效率测试：法拉第效率主要用于评价催化剂对于不同还原产物的选择性，从法拉第效率的计算公式可知，其评价的基准是以还原产物的总电量与反应的总电量之比；产物的法拉第电流效率越高，代表着催化剂对于该产物的还原选择性越强；

19、

20、其中，qi：为生产某种产物的还原电荷数；qtotal：为催化还原反应中的总电荷数；z：产物的摩尔数，mol；f:法拉第常数，96485cmol-1；n：转移的电子数，co与h2的n均为2；i：总反应电流，ma；t：反应时间s；

21、s3、双电层电容测试：采用cv法，通过改变扫描速率，可以测得双层电容；

22、s4、电化学阻抗测试：电位使用每种材料的开路电压，且保持其测试环境相同，对材料进行电化学阻抗测试，以此判断催化剂的电子传输阻力，评价催化剂的电子传输能力；

23、s5、稳定性测试：对材料进行长时间的电催化还原测试，催化剂在长时间工作后，判断电催化剂是否中毒、或者催化活性位点失效；同时，在测试过程中，每隔一个固定时间点，监测其产物的法拉第电流效率，以此判断催化剂的fe的稳定性。

24、作为本发明的优选方案，所述的wc-w2c催化材料包括wc-1p、wc-2p、wc-3p和wc-4p，其中，所述wc-1p、wc-2p、wc-3p和wc-4p均是用所述的合成方法获得的，差异在于：

25、所述wc-1p在合成中的葡萄糖的投加量是与wo3的准确质量相同摩尔量的葡萄糖；

26、所述wc-2p在合成中的葡萄糖的投加量是wo3的准确质量2倍摩尔量的葡萄糖；

27、所述wc-3p在合成中的葡萄糖的投加量是wo3的准确质量3倍摩尔量的葡萄糖；

28、所述wc-4p在合成中的葡萄糖的投加量是wo3的准确质量4倍摩尔量的葡萄糖。

29、作为本发明的优选方案，在所述方法的s1中，测试电压范围为0.0v至-1.0v。

30、作为本发明的优选方案，在所述方法的s3中，所述的扫描速率为10mv s-1至50mvs-1，电位范围选取在非法拉第区间；通过计算不同扫描速率下的阳极电流密度与阴极电流密度差值，得到的线性函数，对其进行拟合计算，其线性斜率的值为双电层电容的值；双电层电容的值与电化学活性面积呈正相关，可以以此判断催化剂的电化学活性面积。

31、有益效果

32、本发明的有益效果在于：

33、(1)采用xrd、sem、tem、xps测试手段对合成材料进行相关表征，其结果表明wc/w2c材料的成功合成，当碳源的添加提高时，材料中会出现w2c，结合其电化学性能研究，表明在材料合成阶段投加w/c比例中碳源扩大两倍时，合成的催化剂具有优秀的电化学催化性能。

34、(2)在khco3电解液与饱和co2气氛的测试环境中，使用电化学工作站chi660d对不同的材料进行lsv、eis、cv、i-t测试。结果表明，wc-2p相较于其他三种催化剂对co2的电化学催化效果最好。在外加电压为-0.6v(v vs.rhe)电流密度达到10.72ma cm-2；cv测试中wc-2p催化剂的cdl值为18.12mf cm-2，说明其本征催化活性最高；eis测试中wc-2p的电荷传输电阻相较于其他催化剂最低，说明其电子传输能力最好；i-t测试中wc-2p在-0.6v(vvs.rhe)的过电位下能稳定测试12h，具有良好的稳定性，其产物co的法拉第效率达到91％。