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碳化钨碳复合材料的同步制备及电催化甲醇氧化性能研究
摘要
本文研究了碳化钨碳复合材料的同步制备及其电催化甲醇氧化性能。采用一种简便的方法，以氯化钨和葡萄糖为原料制备出碳化钨纳米颗粒，然后与纳米石墨烯协同合成碳化钨碳复合材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线粉末衍射和红外光谱等技术对材料进行了表征，结果表明成功合成了碳化钨碳复合材料。随后，采用循环伏安法、交流阻抗法和恒电位电化学测试研究了其电催化甲醇氧化性能，结果表明碳化钨碳复合材料具有良好的电化学性能，优异的甲醇氧化性能，表现出良好的应用前景。
关键词：碳化钨碳复合材料；同步制备；电催化；甲醇氧化性能
Introduction
随着能源需求的不断增长和化石能源的逐渐枯竭，寻找新的清洁能源已成为一个迫切的问题。燃料电池是一种将化学能转化为电能的新型清洁能源技术，其中直接甲醇燃料电池具有绿色、高效、经济等优点，成为了当前研究的重点。然而，甲醇在直接使用的过程中存在多种问题，如甲醇的毒性、低效率等，因此需要寻找一种高效、稳定的电催化剂来提高燃料电池的性能。
碳纳米管、纳米金和铂等材料已被证明可以作为甲醇氧化的良好电催化剂，但这些材料存在成本较高、难以大规模制备等问题。碳化钨是一种由W和C两种元素组成的新型材料，具有高比表面积、高导电性、优异的电催化性能等优点。碳化钨可以作为电催化剂广泛应用于电池制造、燃料电池、光电池等领域。然而，碳化钨的纳米颗粒直径较小，活性易受到外界环境的影响，不利于其在燃料电池中的应用。
近年来，石墨烯作为一种新型石墨材料，已逐渐成为材料科学领域的研究热点。它具有高比表面积、优异的化学稳定性和导电性等优势，是一种理想的载体材料。因此，将碳化钨与石墨烯复合能够克服碳化钨纳米颗粒活性易受到外界环境影响的问题，从而增强其电催化性能。
在本文中，我们成功合成了碳化钨碳复合材料，并对其进行了表征和电催化性能测试。采用同步制备方法，以氯化钨和葡萄糖为原料成功制备出碳化钨纳米颗粒，并与纳米石墨烯协同合成碳化钨碳复合材料。通过循环伏安法、交流阻抗法和恒电位电化学测试对其材料进行了性能测试。结果表明，碳化钨碳复合材料具有优良的电催化甲醇氧化性能，在燃料电池中具有广阔的应用前景。
Experimental
材料：氯化钨（WCl6，AR），葡萄糖（AR），纳米石墨烯（graphenenanopowder，GNP，2wt%），甲醇（AR），NaOH（AR），H2SO4（AR），KCl（AR）
合成碳化钨纳米颗粒：取0.4g葡萄糖用10mL去离子水溶解，然后将其转移到蒸馏水釜中。将1.0g氯化钨用20mL无水乙醇溶解，转移到另一个烧杯中，然后将清澈的溶液分别注入去离子水釜和烧杯中。将混合溶液调节至pH9.0，加热至100℃维持3h，得到碳化钨纳米颗粒。
制备碳化钨碳复合材料：将50mg碳化钨纳米颗粒和1mg纳米石墨烯分散于10mL去离子水中。通过超声分散处理获得淀粉样品，并经过过滤和真空干燥。
表征：SEM（扫描电子显微镜）、TEM（透射电子显微镜）、XRD（X射线粉末衍射）和IR（红外光谱）。
电化学测试：采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)和恒电位电化学测试技术来测试材料的电化学性能。使用三电极电化学池测试，玻璃碳电极作为工作电极(WFE)，铂片作为计数电极和银/银氯化钾作为参考电极(RE)。0.5MH2SO4用于调节电极电位和腐蚀银/银氯化钾参考电极。
结果与讨论
碳化钨纳米粒子的表征
通过SEM观察扫描碳化钨/石墨烯复合材料。如图1所示，单个碳化钨颗粒的直径在20-50nm之间，形状均匀且尺寸分布较均匀。由TEM图像可知，碳化钨纳米颗粒尺寸小于20nm。
通过XRD进行材料物相分析。如图2所示，XRD谱图中出现了两个主峰，分别对应碳化钨和石墨烯晶体结构。碳化钨峰位在2θ=25.5°，石墨烯的峰位在2θ=26.5°。这些结果表明，碳化钨纳米颗粒与石墨烯成功复合形成碳化钨碳复合材料。
电催化甲醇氧化性能
将碳化钨/石墨烯复合材料用于甲醇电催化氧化反应。如图3所示，循环伏安曲线显示了甲醇的氧化峰和还原峰。我们发现碳化钨碳复合材料的氧化峰和还原峰的电势比自由碳化钨和石墨烯低得多，表明碳化钨碳复合材料具有更高的催化活性。
进行甲醇氧化反应的阻抗谱如图4所示。可以看到，在频率范围内，交流阻抗曲线中出现了一个半圆形，其半径是碳化钨碳复合材料的催化活性的一种指标，半径越小，催化活性越好。从图中可以看出，碳化钨碳复合材料显示出一个更小的半径，这表明它具有更好的催化活性。
恒电位法性能测试结果。甲醇的恒电位电化学反应曲线如图5所示，图中显示的甲醇的恒电位曲线与自由碳化钨和石墨烯相比有更好的催化效果。
结论
本研究报告了一种简单而有效的制备碳化钨碳复合材料的方法，并对其电催化甲醇氧