负载型Pd基催化剂的制备及其对甲酸催化性能的研究

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氢气来源丰富、洁净且对环境无害,作为新能源引起全球广泛关注。甲酸是一种具有高含氢量、良好稳定性和分解产物无毒等优点的化学储氢材料。在合适的催化剂作用下,可以催化甲酸脱氢,但是目前常用的催化剂制备方法需使用碱性还原剂或还原性气氛,存在制备工艺复杂、成本高等问题。因此通过简便、绿色的制备方法,合成性能优异、经济实用的催化剂是促进甲酸脱氢技术实际应用的关键。本工作以甲酸为还原剂、碳纳米管为载体,用原位还原法在酸性条件下制备负载型Pd基催化剂,通过XRD、TEM、XPS等技术对其结构进行了研究。所制备的Pd基催化剂为Ni0.2Au0.4Pd0.4/NH2-CNTs,Ni Au Pd纳米粒子均匀分散在氨基改性的碳纳米管上,尺寸约为6.7 nm。使用磷酸二氢钠进一步改性碳纳米管载体表面结构,制备得到负载在氨基-磷-双功能化碳纳米管上的Ni Au Pd纳米粒子催化剂(Ni Au Pd/NH2-P-CNTs),具有优异的分散性和细小的合金尺寸(约1.8 nm)。其中氨基和磷通过改性碳纳米管可成功抑制Ni Au Pd纳米粒子的团聚,提高纳米粒子的分散性并减小其尺寸,同时使金属活性位点增多,增强了催化剂的活性。柠檬酸可有效减小纳米粒子的尺寸并提高分散性。甲酸作为还原剂,成功将离子态Au和Pd还原,Ni、Au和Pd三者之间电负性差异使Ni离子发生电子转移得到金属态Ni,进而得到金属合金结构的Ni Au Pd纳米粒子,甲酸钠的添加则使甲酸根浓度增大,显著地缩短了甲酸对金属离子的还原时间。对所制备的Ni0.2Au0.4Pd0.4/NH2-CNTs进行甲酸脱氢性能测试,在30℃和60℃时均可实现甲酸的全部分解,初始转化频率分别为699.1和3006.1 mol H2 mol Pd-1 h-1。在添加甲酸钠时进行甲酸脱氢反应,其催化性能明显提高,在30℃和60℃时的初始转化频率分别为1522.9和4391.1 mol H2 mol Pd-1 h-1。对所制备的Ni0.2Au0.4Pd0.4/NH2-P-CNTs进行甲酸-甲酸钠体系脱氢性能测试,在30℃时可实现甲酸的全部分解产生氢气,初始转化频率达到5640.0 mol H2 mol Pd-1 h-1,表现出优异的催化性能。通过对甲酸脱氢机理的研究可知,质子清除剂H2N-Ni、金属-甲酸盐中间体和表面富电子Pd三者共同作用可加速甲酸中O-H键的断裂,使甲酸全部分解产生氢气。
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