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氢气因为其具有超高的热值,广泛的来源和绿色环保等特点而受到越来越多的关注,尤其是在新能源飞速发展的21世纪,氢气的制备、存储和释放一直是被人们研究的重点。氢气的制备方法有很多种,电解水和水解含氢化合物是制备氢气常用的两种方式,比传统工业上使用的水煤气法更具有环保和成本优势。而无论是电解还是水解反应都离不开催化剂的应用。过渡金属纳米阵列具有成本低,比表面积大,活性高等特点,在催化硼氢化钠(Na BH4)、氨硼烷(NH3BH3)等含氢化合物的水解制氢和催化电解领域展现出了巨大的应用潜力。在本论文中,通过水热法、热处理法及低温保型磷化法分别制备了负载型碱式碳酸钴(CCH)、四氧化三钴(Co3O4)和磷化钴(Co P)纳米阵列,并将其应用于在可控催化Na BH4和NH3BH3水解制氢方面,更进一步的研究是应用负载型的氧化铜(Cu O)纳米阵列催化NH3BH3的醇解反应。同时,还研究了负载型CCH@Co-Pi核壳纳米阵列和Co P@Co-Bi-Pi纳米网状结构的原位法制备及其在中性和近中性电解液中的催化析氧反应的性能。具体内容如下:1.通过一步水热法制备了CCH纳米阵列,研究发现该纳米阵列在催化Na BH4水解的过程中能够逐渐转化为一种纳米结构的无定型Co Bx催化相,该类催化剂对Na BH4的水解具有非常高的催化活性,优于大多数的粉体催化剂。由于该催化剂由纳米阵列原位转化而来,因此具有较高的比表面积,能够暴露更多的活性位点,其催化Na BH4水解制氢速率高达4000 m L min-1 gcat-1,反应活化能(Ea)只有39.78k J mol-1。2.在上述研究的基础上,将CCH纳米阵列在空气氛围中进行了高温热处理,得到了Co3O4纳米阵列,该阵列同样对Na BH4的水解具有很高的催化活性,产氢速率高达1940 m L min-1 gcat-1,反应活化Ea为59.84 k J mol-1。与CCH纳米阵列不同的是,Co3O4纳米阵列表现出更高的催化稳定性,主要是因为经过热处理之后,纳米阵列更加稳固,只有纳米线表面部分转化为Co Bx催化相,阵列不会坍塌。3.在上述研究的基础上,将CCH纳米阵列通过低温保型磷化的方法转化为Co P纳米阵列,而磷元素的引入,使得纳米阵列具有更高的催化水解性能。研究发现,Co P纳米阵列基本不需要活化,不仅对Na BH4水解有很高的催化活性(6500 m L min-1 gcat-1,41 k J mol-1),而且对NH3BH3的水解也具有较高的催化性能(4000 m L min-1 gcat-1,40.9 k J mol-1),同时Co P纳米阵列在催化过程中表现出较高的催化稳定性。4.氨硼烷的醇解制氢同样有着非常巨大的应用潜力,用甲醇作溶剂的比用水作溶剂具有更多的优点:醇解反应不会有氨气产生,反应产物可以回收用于氨硼烷的生产,同时具有更好的耐低温性能。因此,在上述研究的基础上,我们利用原位氧化法制备了泡沫铜负载的氢氧化铜(Cu(OH)2)纳米线,并进一步通过热处理的方式转化为Cu O纳米线。研究发现,这种负载型的Cu O纳米线对NH3BH3的醇解反应具有很好的催化效果(4629 m L min-1 g Cuo-1,38.97 k J mol-1)及催化稳定性。以上负载型阵列催化剂相比大多数的粉体催化剂不仅具有较高的面积和催化活性,同时能够快速的与溶液进行分离,实现水解和醇解反应的可控性。另一方面,电解水是制备氢气的另外一种常见方法,而水的电解分为析氢和析氧两部分反应,其中析氧反应由于其需要有更高的理论电势而成为制约电解水的瓶颈。如何高效的催化析氧反应(水氧化)是近年来研究的重点。而中性溶液由于其对设备的腐蚀危害小,要求低,因此在中性水溶液中的催化析氧反应更是研究的重中之重。基于此我们还进行了以下工作:5.将钛网负载的CCH纳米阵列通过电化学原位转化的方式,在磷酸盐缓冲溶液(PBS,p H=7.0)中转化为一种具有高效催化中性析氧反应的钴的磷酸盐类复合结构的催化剂Co-Pi,形成了一种负载型CCH@Co-Pi核壳纳米阵列的高效催化剂。在0.1 M PBS中,其电流密度达到10 m A cm-2所需要的析氧过电位仅为460 m V,同时能够在较长时间内保持其催化稳定性。6.在前一研究的基础上,将Co P纳米阵列应用于催化近中性电解液(硼酸钾溶液,KBi,p H=9.2)中的析氧反应。同样经过原位电化学转化后发现,Co P纳米阵列转化为一种负载型具有三维网状结构的Co P@Co-Bi-Pi核壳催化剂。这种特殊结构的催化剂对KBi溶液中的析氧反应具有很好的催化效果。在0.1 M KBi中,其电流密度达到10 m A cm-2所需要的析氧过电位仅为410 m V。同时也能够在较长时间内保持其催化稳定性。以上负载型纳米阵列结构用于催化电解水中的析氧反应能够表现出如此优越的性能,一方面是因为催化剂本身的特性,另外一方面是因为其具有三维的纳米阵列结构,相比二维薄膜催化剂具有更高的比表面积,能够暴露更多的活性位点。