介孔碳氮材料负载Ni基合金纳米催化剂的制备及催化性能

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碳氮材料是一种具有独特导电性、化学稳定性以及机械稳定性的材料。而介孔碳氮材料(MCN)还具备更高的比表面积、孔体积以及丰富的孔道结构,有利于多相反应中反应物和产物的传质扩散。同时,还可以作为催化剂的载体,提升负载物质的分散性及稳定性,改善催化剂的应用性能。因此,近年来设计合成具有高比表面积以及介孔结构的碳氮材料,成为催化和介孔材料领域的一个研究热点。硼氮氢化物,由于其具有高储氢含量和稳定性,被认为是一种理想的化学储氢材料。在本论文中,我们设计合成了一系列介孔碳氮材料负载Ni基合金纳米复合催化剂用于催化硼氮氢化物产氢。主要研究内容如下:通过简单的一步共还原法将高度分散的Pd和PdNi纳米粒子成功的固载到介孔碳氮材料上。所合成的单金属Pd/MCN纳米复合催化剂在室温条件下催化氨硼烷水解制氢具有优异的催化活性,转化频率(TOF)值达到125 min-1,为目前活性最高的Pd基单金属催化剂。而当引入非贵金属Ni与Pd/MCN形成双金属催化剂后,催化剂的催化性能进一步提升。在一系列催化剂中,Pd74Ni26/MCN纳米复合催化剂显示了最优异的催化活性,室温下TOF值高达246.8 min-1。研究表明,催化剂的高活性归因于载体MCN与金属纳米颗粒间的强相互作用,而且开放的孔结构也有利于反应物质的传输。通过调控热聚温度来调节介孔碳氮材料中的氮含量,进而利用一系列不同氮含量的介孔碳氮材料(MCN-X)负载NiPt合金纳米颗粒,用于298 K碱性条件下催化肼硼烷产氢。表征结果表明,热聚温度的升高会导致介孔碳氮材料中的氮含量逐渐减小,尤其是吡啶N的含量。通过对比以不同介孔碳氮材料为载体的催化剂的催化性能,Ni60Pt40/MCN-800纳米复合催化剂表现出最佳的催化活性和100%的氢气选择性,其室温下的TOF值高达1111 h-1,优于目前已报道的所有肼硼烷制氢用催化剂的催化性能。研究表明,载体介孔碳氮材料中可调节的氮含量在实现优异的催化性能方面起着重要作用。
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