钌基催化剂催化氨硼烷水解制氢性能研究

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氢能被认为是清洁的可再生能源。作为一种最有前景的化学储氢材料——氨硼烷具有无毒性、环境友好、高含氢量等优点,但室温下的氨硼烷较稳定,难以实现快速水解放氢。为了提高氨硼烷水解制氢的产氢速率和循环性能,本论文采用原位还原法合成了钌基金属催化剂,通过碳材料负载、添加PVP稳定改性,制备出高比表面积和多孔结构的Ru/NPC、Ru/GC、Ru/BC-1等催化材料。通过BET、XRD、XPS、SEM、TEM、ICP等多种方法对催化剂进行表征。此外,测试了Ru/NPC、Ru/GC、Ru/BC-1催化氨硼烷水解制氢性能,并研究了其反应机理。主要研究内容如下:(1)以盐酸氨基脲作为氮源,葡萄糖为碳源,通过水热法和惰性气氛(N2)下高温煅烧合成了氮掺杂多孔碳材料。然后,采用原位还原法合成了钌负载氮掺杂多孔碳催化剂(Ru/NPC)。Ru/NPC用于催化氨硼烷水解制氢,室温下显示高的催化活性,90 s完成放氢反应,TOF值为813 molH2·molRu-1·min-1,活化能为24.95 kJ·mol-1。Ru/NPC催化剂可以重复使用,第五次的催化活性保持第一次的67.3%。(2)通过银杏叶为生物质碳源,采用低温碳化、化学活化和氮气下高温煅烧制备了具有高比表面积的银杏叶基多孔碳材料(GC)。然后,以GC作为载体通过原位还原法合成了钌负载银杏叶基多孔碳催化剂(Ru/GC)。合成的GC比表面积为2571.84m2·g-1,能更好地分散钌纳米粒子。在298 K下,Ru/GC催化氨硼烷水解制氢展现出高的催化性能(TOF=921 molH2·molRu-1·min-1)和较低的活化能(Ea=23.86 kJ·mol-1)。对Ru/GC进行循环性能测试,五次循环后剩余初次催化活性的58%,多次催化反应后由于钌纳米粒子的团聚而导致活性降低。(3)通过竹叶作为生物质碳源,盐酸氨基脲作为氮源,然后在氮气下高温煅烧合成竹叶基生物质多孔碳材料(BC)。为了提高催化剂的循环稳定性,采用加入PVP稳定钌纳米粒子的策略。改变PVP的添加量合成Ru/BC催化剂并用于催化氨硼烷水解制氢。其中,Ru/BC-1催化性能最好(TOF=718 molH2·molRu-1·min-1),并且具有较低的活化能(Ea=22.8 kJ·mol-1)。Ru/BC-1展现出较好的循环性能,十次催化后催化活性保持第一次的55.6%。优异的循环性能可归功于PVP可以稳定金属钌纳米粒子并存在于载体BC上。
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