储氢材料制氢催化剂的构建与性能研究

作     者：王泽龙 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王虹力

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：氢气 催化剂 甲酸 氨硼烷 氮化硼 

摘      要：随着社会的发展,人们对化石能源的利用与需求与日俱增,但化石能源作为不可再生资源,其储量有限且在使用过程中不可避免的会造成环境污染,所以寻找一种新型的清洁能源迫在眉睫。在众多新能源中,氢能以其清洁高效可再生,且来源广泛等优点,被认为是一种理想的清洁能源。甲酸和氨硼烷作为两种典型的化学储氢材料,受到研究者关注。甲酸由于其常温常压下为液态,易于加注而受到人们青睐。氨硼烷常温常压下为稳定固体,且具有高达19.6 wt.%的储氢质量分数,不易燃不易爆,也是众多储氢材料中较好的一个选择。无论是甲酸还是氨硼烷,其产氢效率很大程度上取决于催化剂的选取,因此开发高效的储氢材料制氢催化剂尤为重要。本论文设计了一系列金属/载体催化剂并分别对其甲酸（HCOOH,FA）制氢与氨硼烷（NHBH,AB）制氢性能进行了研究: 一、为了优化FA脱氢制氢的催化活性,采用富含-NH的柠檬酸（CA）改性氮化硼（CA-BN-NH）作为载体,控制Au Pd纳米颗粒的颗粒分布、粒径和电子结构。所得的AuPd/CA-BN-NH在FA脱氢制氢中表现出非凡的催化活性,具有100%的氢选择性,在无添加剂的情况下,初始转化频率（TOF）为7046 mol ·mol·h,且这一数值优于目前大多数文献中报道过的FA制氢反应的TOF值。透射电子显微镜（TEM）图像、X射线光电子能谱（XPS）分析和密度泛函理论（DFT）计算表明,其优异的催化活性主要是由于CA和-NH修饰h-BN所产生的Au Pd纳米颗粒的几何效应和电子效应。这项工作为设计用于FA制氢的高效纳米催化剂提供了新颖的思路。 二、为了优化AB水解制氢的催化活性,采用了酸洗后的超薄碳纳米片（CNS）作为载体,通过湿化学法将Ru Co纳米颗粒担载在其上,获得了Ru Co/CNS催化剂,在无添加剂的情况下表现出优异的催化活性,其具有100%的氢选择性,初始转化频率（TOF）为4541.82 mol ·mol·min,优于已报道的大多数在类似条件下的贵金属催化剂。其优异的催化性能归功于两方面,一是酸洗后超薄碳纳米片成功造孔,使得Ru Co纳米颗粒均匀分散,从而使活性位点被最大程度的暴露出来,二是Co与Ru金属之间的配体效应,最终共同提高了催化反应效率。