氫鎢青銅

簡介

氫鎢青銅( HxWO₃，0≤x≤1)為非化學計量化合物，擁有六元、五元或四元環孔道，具有特殊的空間隧道結構。氫鎢青銅的這種結構有利於離子的脫嵌與交換，使其具有給予和接受質子的能力。

質子交換膜燃料電池( PEMFC) 具有反應溫度低、能量密度大、效率高和無污染等優點，使其在可攜式電源、動力電源及發電站等領域有著廣泛的應用前景。傳統催化劑以鉑為主要成分，鉑的成本高一直是制約PEMFC 發展的一大問題，因此如何降低鉑的使用量，並進一步提高催化活性是這一領域的研究熱點。添加輔助催化劑是降低鉑使用量、提高其催化活性的有效途徑。

氫鎢青銅作為輔助催化劑與鉑結合，其提供質子時可以促進鉑對氧還原的催化作用，接受質子時可以提高鉑對甲醇等有機小分子氧化的催化作用。氫的氧化屬於給出質子的電荷交換過程，氫鎢青銅可接受質子以增強鉑對氫氧化的催化活性，因而其作為質子交換膜燃料電池陽極催化材料的研究將具有較大的應用前景。

製備

仲鎢酸銨熱分解製備氫鎢青銅步驟如下：
1)APT, 即(NH₄)10(H₂W₁₂O₄₂)7H₂O,在100 ～200 ℃下分解為(NH₄ )10(W₁₂O₄₁)5H₂O；
2)(NH₄)10(W₁₂O₄₁)5H₂O在200-250 ℃下繼續分解為(NH₄)_0.33WO₃；
3)在250-575 ℃下,(NH₄)_0.33WO₃表現出相對的穩定性，大量地轉變為H_0.33WO₃和WO₃。
其中(NH₄ )xWO₃可分解製備HxWO₃。這一過程的溫度範圍一般是150-350 ℃,同時,往往伴隨著晶形的轉變，用方程式表示：(NH₄)xWO₃=HxWO₃+xNH₃(g)。

鉑-氫鎢青銅陽極的製備：
單獨電沉積鉑時，鉑顆粒的粒徑較小且分散性好，所以電池測試表現出較好的電性能。當以氫鎢青銅電極為基底，恒壓電沉積鉑製備複合催化層，所得電極的單電池性能有了進一步提高，這說明氫鎢青銅能夠在一定程度上提高鉑對氫氧化的催化活性。陽極區域氫的氧化屬於提供質子的電荷交換過程，反應過程如下：
Pt+H₂+H₂O = PtH+H₃O⁺ + e－
2PtH = 2Pt + H₂

由於氫鎢青銅具有特殊的空間隧道結構，使其具有一定的質子脫嵌能力，在氫鎢青銅存在的條件下可發生如下反應:
xPtH + HyWO₃ = HzWO₃ + xPt ( 0 ＜ x，y，z≤1，z = x + y)
HzWO₃ = HvWO₃ + wH⁺ + we－ ( 0 ＜ v，w，z ≤1，z = v + w)
氫鎢青銅結合鉑表面沒有被完全解離的吸附氫，因此提高了氫的氧化反應速率，同時氫鎢青銅接受大量質子後具有提供質子的能力，質子通過電解質膜到達陰極與氧結合生成最終產物水，這樣也提高了燃料電池的能量轉換效率。