纳米钴基催化剂制备及催化硼氢化物水解制氢研究

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由于传统化石能源的日趋枯竭以及环境的不断恶化,寻找一种可替代的可再生能源则显得迫在眉睫。氢能作为一种新能源是解决能源危机的重要途径之一。氨硼烷,硼氢化钠作为储氢材料,具有储氢量高,安全,高效等特点,被认为是目前最有潜力的储氢方式之一。在有合适催化剂存在的条件下,他们可以通过水解实现氢气的制备。目前,贵金属催化剂虽因具有较高的催化活性,而被广泛应用于硼氢化物制氢体系,但由于其资源短缺,价格昂贵,限制了其实际使用。鉴于此,对非金属基催化剂催化硼氢化物制氢的研究则显得尤为重要。本文运用化学沉积法,在不同基底上成功制备了具有较好催化活性的Co基纳米催化材料,并对其催化硼氢化物水解制氢性能进行了研究,并通过XRD,ICP,SEM,TEM,XPS,AFM等手段对制备的材料进行了表征。其主要研究内容和结果如下:1.以铜片为基底,通过化学沉积法成功制备了纳米Co-B薄膜催化剂,并以氨硼烷(NH3BH3)为原料,对Co-B/铜片薄膜催化剂催化NH3BH3水解制氢性能进行了研究。通过优化镀液pH至9.5,制备的Co-B薄膜催化剂的粒径大小约为41.0 nm。结果表明,其催化NH3BH3水解放氢速率为5500.0 mL min-1 g-1,活化能为37.8 kJ mol-1。经过5次循环测试后,其放氢速率为有缓慢的衰减,但仍未其初始值的79.1%。这说明,该催化材料具有较好的循环稳定性。2.以铜片为基底,通过化学沉积法成功地制备了纳米Co-Ni-B催化剂,并对其催化碱性硼氢化钠(NaBH4)溶液水解放氢性能进行了研究。结果表明,当调节pH值至10.0时,形成了类垄状结构的Co-Ni-B纳米催化剂,这种独特的多级结构使得该催化剂具有较高的表面粗糙度以及较多的活性位点。在催化NaBH4水解制氢过程中表现了很好的催化活性,其放氢速率为14778.1 mL min-1 g-1,活化能为42.8 kJ mol-1。更重要的是,经过5次循环测试后,其放氢速率仍为初始值的87.9%。这说明,类垄状结构Co-Ni-B纳米催化剂因其较好的催化活性在NaBH4水解制氢体系中具有较好的应用前景。3.以泡沫海绵为基底,通过化学沉积法成功制备了纳米Co-Mo-B薄膜催化剂,并研究pH值对纳米Co-Mo-B催化剂催化NH3BH3水解制氢性能影响。结果表明,当pH=11.0时,其催化NH3BH3水解放氢速率为5100 mL min-1 g-1,活化能为41.7 kJ mol-1该值明显低于多数Ni基及Co基催化剂,甚至是贵金属基催化材料。根据SEM,TEM以及XPS测试结果推测,这种增强的催化活性可能是由于所制备催化材料的较小的晶粒尺寸以及Co,Mo和B三种元素的协同效应。5次循环后放氢速率逐渐降低,为其初始值的61.9%,这说明Co-Mo-B薄膜催化剂的稳定性有待进一步提高。
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