多组分复合纳米催化剂的合成及其催化硼烷氨水解析氢性能的研究

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氢气做为最好的替代能源之一,很有潜力去满足日益增长的高效和清洁能源供应的需求。目前,实现安全的未来氢能源社会最困难的挑战之一是寻找一个有效的氢气储存和释放体系。近年来,硼烷氨(AB)络合物因其含氢量高(19.6 wt%)、稳定性好、无毒等优点成为重要的储氢材料之一。铂(Pt)是最好的硼烷氨水解催化剂,然而Pt价格昂贵并且在自然界的含量非常的低。为了降低催化剂的成本同时保持较高的催化性能,本论文提出了三种解决方案,主要内容如下:1.利用非贵金属的Co3O4@GO为支撑物负载超小的Pt纳米簇,研究了其室温催化硼烷氨水解析氢的催化性能。本章首先以氧化石墨烯(GO)的乙醇溶液和醋酸钴的水溶液为前驱体,通过回流和水热反应得到了Co3O4@GO的载体材料,然后氢气低温退火还原混合均匀的载体与H2Pt Cl6得到Pt@Co3O4@GO。通过硼烷氨催化水解的实验发现,此催化剂表现出极好的催化性能,室温条件下,其TOF值可达2766 mol H2mol Pt-1min-1,活化能为24.3 k J·mol-1。这一优异的催化活性可能归因于超小的Pt纳米颗粒、Co3O4加速了吸附羟基种类和GO的分散作用引起的协同效应促进了决速步骤中进攻的H2O分子中O-H键的断裂。2.设计合成了包括金属铜(Cu)、复合金属氧化物(Cu Co Ox)和氧化石墨烯(GO)的混合催化剂,研究了其室温催化硼烷氨水解析氢的催化性能。本章首先将GO与醋酸铜和醋酸钴的混合溶液回流水热反应,得到GO负载的复合金属氧化物Cu Co Ox,然后进一步氢气低温还原处理得到异质结构的Cu@Cu Co Ox@GO。通过调节不同的还原温度、不同的金属比例以及不同的催化剂的负载量,发现最优化界面的催化剂为金属负载量为13 wt%时的Cu0.3@Cu0.7Co Ox@GO。室温条件下,其TOF值可达44.6 mol H2mol M-1min-1,活化能为35.4 k J·mol-1。催化动力学和同位素实验表明Cu0.3@Cu0.7Co Ox@GO当中的组分和结构的协同效应优势加速了决速步骤中H2O中O-H键的断裂。3.设计合成了氧化石墨烯负载的铜镍复合氧化物(Cu Ni2Ox)的复合催化剂,研究了其室温催化硼烷氨水解析氢的催化性能。本章将GO与醋酸铜和醋酸镍的混合溶液回流反应,离心干燥以后空气中退火处理,得到Cu Ni2Ox@GO。该催化剂对于室温硼烷氨水解析氢有很好的催化性能,室温条件下,其TOF值为55.6mol H2mol M-1min-1,其催化活性可能归因于较小的复合金属氧化物颗粒以及GO之间的协同效应。
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