本實驗以碳化鎢(WC)增強的AuPdPt-WC/C 復合催化劑作為直接甲醇燃料電池(DMFC)的陰極催化劑，選取了各組元比例，溫度為變量，測試了其作為DMFC 催化劑的性能。首先，采用了間歇微波加熱法(IHM)制備了納米級的碳化鎢(WC)顆粒，并采用還原法和真空干燥法制備了AuPdPt-WC/C 復合催化劑，控制Au、Pd、Pt 的比例，制備了兩組催化劑。通過循環伏安掃描，線性伏安掃描等手段進行電化學測試，表征其氧還原的性能。結果顯示，復合催化劑具有高于傳統Pt/C 催化劑的性能，并且與實驗條件息息相關。

　　能源與環境，是目前人類關注的兩大熱點問題。而當今能源的匱乏以及能源被不合理利用，將成為一個國家乃至世界發展的嚴重制約因素。就我國而言，目前的石油儲量僅夠使用到2040年左右，而煤炭資源也僅夠使用60~100 年。日益緊張的能源資源和化石燃料對環境造成的破壞驅使人們尋找可替代的新能源和能源開采、利用方式。燃料電池是一種新型的能源利用方式，是在等溫狀態下將化學能直接轉化為電能的裝置。燃料電池具有能量利用率高，快速啟動，無噪聲污染，對環境無害[7]等特點，因而備受矚目。按電解質類型， 燃料電池可分為： 堿性燃料電池(AFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池SOFC)五種。其中，直接甲醇燃料電池(DMFC)屬于質子交換膜燃料電池的一種，以甲醇為燃料，空氣(O2)作氧化劑。相比于氫氣燃料電池，DMFC 在儲存與運輸方面具有明顯的優越性。此外，DMFC 還具有體積小，啟動快，能量密度高等的特點，被認為是相當理想的未來便攜式移動清潔電源。

　　目前，廣泛使用的直接甲醇燃料電池(DMFC)陰極催化劑是Pt/C 催化劑。該催化劑雖然具有高氧還原反應催化活性，然而Pt/C 催化劑容易受到甲醇的影響而造成混合電位，對電池的效率造成影響。同時，由于Pt 的儲量少，價格貴，尋找新的替代催化劑是DMFC 的研究熱點。本實驗采用間歇微波加熱法和還原法將具有類似Pt 催化性能的Au、Pd 以及碳化鎢(WC) 復合，并研究不同實驗條件對復合催化劑AuPdPt-WC/C 催化性能的影響。

1、實驗部分

　　1.1、納米碳化鎢(WC)的制備

　　(1)稱取1 g 的鎢粉，加入到30 v/v%過氧化氫、異丙醇、蒸餾水的混合液中，混合液中三者的比為1∶2∶1，過夜充分反應。

　　(2) 在過夜反應后的混合液中加入2g VulanXC-72碳粉， 用玻璃棒攪拌后放入超聲機中超聲30min，分為3 次，每次10 分鐘。

　　(3) 將超聲后的混合液放入烘箱中，溫度為80 ℃，加熱至粘稠狀。

　　(4)取出粘稠漿，置于坩堝中。抽真空通氮氣5-10 min 以排除空氣。

　　(5)將處理后的坩堝放入耐火磚上，再置于微波爐中間歇加熱，直至漿料變成粉末狀。

　　(6)取出坩堝內的粉末密封，裝袋，即為納米碳化鎢粉末。

　　1.2、Pt-WC/C 催化劑的制備

　　(1)稱取2 mg 制備好的WC/C 粉末。

　　(2)用取液管量取0.27 ml 氯鉑酸溶液，該溶液中Pt 的含量為3.7 mg/ml。

　　(3)現場配置1 M 硼氫化鈉(NaBH4)溶液。

　　(4) 將WC/C 粉末、氯鉑酸、硼氫化鈉溶液充分混合。

　　(5)將混合后的溶液置于離心機中離心，離心后超聲。重復三次以洗凈鈉離子。

　　(6)在清洗后的溶液中加入1 mL 異丙醇溶液，超聲2 兩次，每次10 min。干燥后即得到分散均勻的Pt-WC/C 催化劑。

　　1.3、AuPdPt-WC/C 催化劑的制備

　　方法同Pt-WC/C 催化劑的制備，制得兩組不同比例的AuPdPt-WC/C 催化劑。材料的用量為：

　　①0.21 ml 氯金酸溶液(4.78 mgAu/ml)、0.17 ml氯化鈀溶液(5.9 mgPd/ml )、0.27 ml 氯鉑酸溶液(3.7 mgPt/ml)，制得催化劑中Au、Pd、Pt 比為1∶1∶1。

　�、�0.21 ml 氯金酸溶液(4.78 mgAu/ml)、0.17 ml氯化鈀溶液( 5.9 mgPd/ml )、0.54 ml 氯鉑酸溶液( 3.7 mgPt/ml ) ， 制得催化劑中Au、Pd、Pt 比為1 ∶ 1 ∶ 2。

　　1.4、工作電極的制備

　　本實驗采取的電化學表征電極體系為三電極體系。分別為搭載催化劑的工作電極，與工作電極構成測量回路的Pt 對電極，以及飽和甘汞參比電極。制備工作電極的關鍵是將催化劑搭載到碳棒上。制備過程如下：

　　(1)取若干1 號電池，取出其內部的碳棒，將碳棒洗凈，在砂紙上磨平。

　　(2)將Pt-WC/C 催化劑用異丙醇溶液分散均勻，超聲10min，滴在1 根碳棒上。

　　(3)將兩組AuPdPt-WC/C 重復步驟(2)。

　　(4)將2、3 得到的工作電極貼上標簽，分別滴上Nafion 溶液以保護電催化層。

　　(5)自然晾干，工作電極制備完成。

　　1.5、催化劑的表征

　　對制備的催化劑進行電化學測試，通過循環伏安掃描法和線性伏安掃描法表征其氧還原催化性能好壞。

2、結果和討論

　　2.1、三組催化劑的電化學性能測試

　　圖1 是25 ℃氮氣飽和的0.5M KOH 溶液中，Pt-WC/C 以及兩種不同比例AuPdPt-WC/C 催化劑的循環伏安曲線， 從圖中能夠明顯看出，AuPdPt-WC/C 相對于Pt-WC/C 催化劑，具有更大的氫吸附峰面積，交換電流密度也增加了，催化劑有很大的提高；在不同比例的AuPdPt-WC/C中，由于AuPdPt-WC/C(1 ∶1 ∶1)比AuPdPt-WC/C(1∶1∶2)表現出更好的協同作用，提高了催化劑的活性位，從而增加了催化劑的活性面積。因而說明了AuPdPt-WC/C(1∶1 ∶1)催化劑在堿性溶液中具有更高的氧還原催化活性。

圖1 25℃氮氣飽和的0.5M KOH 溶液中，Pt-WC/C 以及兩種不同比例AuPdPt-WC/C 催化劑的循環伏安曲線，掃描速度2mV·s^-1

　　圖2 是25 ℃氧氣飽和的2 M H2SO4 溶液中，相對于飽和甘汞電極，Pt-WC/C 以及兩種不同比例AuPdPt-WC/C 催化劑的線性掃描曲線，即氧還原反應的極化曲線。圖中可以清楚的對比到三種催化劑的氧還原催化性能。當Au、Pd、Pt 之間比例為1 ∶1 ∶1 時，催化劑的氧還原活性明顯優于Au、Pd、Pt 之間比例為1 ∶1 ∶2 的催化劑以及Pt-WC/C。與Pt-WC/C 和AuPdPt-WC/C(1∶1∶2)催化劑相比，AuPdPt-WC/C(1 ∶1 ∶1)擁有明顯更正的氧還原起始電位0.6mV，并且AuPdPt-WC/C(1 ∶1 ∶1)的起始電位正移了約0.08mV。AuPdPt-WC/C(1∶1∶1)的電流密度比Pt-WC/C 和AuPdPt-WC/C(1∶1∶2)的電流密度有較大提高，并且有效的減小了過電位，從而提高了燃料電池的效率。相對于Pt/C 催化劑不僅提高了氧還原的起始電位，而且提高了氧化原反應在高電流密度時的動力學特性。

圖2 25℃氧氣飽和的2M H2SO4 溶液中，Pt-WC/C 以及兩種不同比例AuPdPt-WC/C 催化劑的線性掃描曲線，掃描速度2mV·s^-1

　　從圖1 和圖2 的分析中我們發現，AuPdPt-WC/C 復合催化劑，當它們之間的比例為1∶1∶1 時，具有更大的氧還原活性面積以及更正的氧還原起始電位，說明了在氧還原催化方面具有優異的表現。而由于Au、Pd、Pt 之間比例為1∶1∶1 相比1∶1∶2 的催化劑的性能更好，成分比例也可能是一個重要的因素，說明了Au、Pd、Pt 之間比例為1∶1∶1 時表現出更好的協同作用。

　　2.2、溫度對催化劑活性的影響

　　圖3 選取了不同的幾個溫度作為實驗變量，采用先前性能最好的AuPdPt-WC/C(1∶1∶1)催化劑作為實驗對象。采用循環伏安掃描法對催化劑進行測試�？梢钥闯觯�在選取的溫度節點(60℃、50℃、40℃、30℃、20℃)中，60℃的氧化還原峰左移，表現出更好的氧化還原性能。同時，隨著溫度的下降，循環伏安曲線峰的面積逐漸減小，表現為活性的降低。考慮到DFMC 實際應用面對的主要是小型電子設備，實際環境溫度不能太高，因此，20-60℃將是一個合適的工作溫度。

圖3 25℃氮氣飽和的0.5M KOH 溶液中，不同溫度下AuPdPt-WC/C 催化劑的循環伏安曲線，掃描速度2mV·s^-1

3、結論

　　本實驗采用還原法制備了2 組成分比例不同的AuPdPt-WC/C 催化劑，以及一組Pt-WC/C 催化劑作為參照。通過對催化劑的電化學測試，我們發現復合后的催化劑在成分比例為1∶1∶1 時，具有最好的氧還原反應催化性能，表現為更大的氧還原活性面積和更正的氧還原起始電位。通過改變溫度條件，我們發現30~60℃為適宜的工作溫度范圍，其中60℃時，復合催化劑的氧還原性能最好�？傮w來說，復合催化劑表現優異，具有取代Pt 催化劑的性能。而成分比例，工作溫度等實驗條件，將成為影響其性能的關鍵因素。因此，通過改變一系列的條件，找出最適宜的工作環境，是將要面臨的課題。