氢钨青铜

简介

氢钨青铜( HxWO₃，0≤x≤1)为非化学计量化合物，拥有六元、五元或四元环孔道，具有特殊的空间隧道结构。氢钨青铜的这种结构有利于离子的脱嵌与交换，使其具有给予和接受质子的能力。

质子交换膜燃料电池( PEMFC) 具有反应温度低、能量密度大、效率高和无污染等优点，使其在便携式电源、动力电源及发电站等领域有着广泛的应用前景。传统催化剂以铂为主要成分，铂的成本高一直是制约PEMFC 发展的一大问题，因此如何降低铂的使用量，并进一步提高催化活性是这一领域的研究热点。添加辅助催化剂是降低铂使用量、提高其催化活性的有效途径。

氢钨青铜作为辅助催化剂与铂结合，其提供质子时可以促进铂对氧还原的催化作用，接受质子时可以提高铂对甲醇等有机小分子氧化的催化作用。氢的氧化属于给出质子的电荷交换过程，氢钨青铜可接受质子以增强铂对氢氧化的催化活性，因而其作为质子交换膜燃料电池阳极催化材料的研究将具有较大的应用前景。

制备

仲钨酸铵热分解制备氢钨青铜步骤如下：
1)APT, 即(NH₄)10(H₂W₁₂O₄₂)7H₂O,在100 ～200 ℃下分解为(NH₄ )10(W₁₂O₄₁)5H₂O；
2)(NH₄)10(W₁₂O₄₁)5H₂O在200-250 ℃下继续分解为(NH₄)_0.33WO₃；
3)在250-575 ℃下,(NH₄)_0.33WO₃表现出相对的稳定性，大量地转变为H_0.33WO₃和WO₃。
其中(NH₄ )xWO₃可分解制备HxWO₃。这一过程的温度范围一般是150-350 ℃,同时,往往伴随着晶形的转变，用方程式表示：(NH₄)xWO₃=HxWO₃+xNH₃(g)。

铂-氢钨青铜阳极的制备：
单独电沉积铂时，铂颗粒的粒径较小且分散性好，所以电池测试表现出较好的电性能。当以氢钨青铜电极为基底，恒压电沉积铂制备复合催化层，所得电极的单电池性能有了进一步提高，这说明氢钨青铜能够在一定程度上提高铂对氢氧化的催化活性。阳极区域氢的氧化属于提供质子的电荷交换过程，反应过程如下：
Pt+H₂+H₂O = PtH+H₃O⁺ + e－
2PtH = 2Pt + H₂

由于氢钨青铜具有特殊的空间隧道结构，使其具有一定的质子脱嵌能力，在氢钨青铜存在的条件下可发生如下反应:
xPtH + HyWO₃ = HzWO₃ + xPt ( 0 ＜ x，y，z≤1，z = x + y)
HzWO₃ = HvWO₃ + wH⁺ + we－ ( 0 ＜ v，w，z ≤1，z = v + w)
氢钨青铜结合铂表面没有被完全解离的吸附氢，因此提高了氢的氧化反应速率，同时氢钨青铜接受大量质子后具有提供质子的能力，质子通过电解质膜到达阴极与氧结合生成最终产物水，这样也提高了燃料电池的能量转换效率。