负载型Co基催化剂的制备及其硼氢化钠水解制氢性能研究

作     者：汪楠 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱吉钦;蒋文军

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] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：硼氢化钠 水解制氢 Co基催化剂 元素掺杂 

摘      要：由于热值高、燃烧产物清洁,氢气被视为化石燃料的绝佳替代品,是实现“双碳目标的重要能源。如何实现安全高效的储氢、制氢是限制氢气市场应用的主要原因之一。硼氢化钠（Na BH4）具有高理论氢含量（10.8wt.%）,常温常压条件下可稳定储存,水解反应简单且产物无害,被视为优秀的储氢材料。然而,Na BH4水解反应速率慢且反应不完全,需要使用高效催化剂加速反应过程。贵金属,如钌（Ru）、铂（Pt）、钯（Pd）等,对Na BH4水解反应表现出优异的活性,但是由于其昂贵的价格,难以规模化应用。众多非贵金属催化剂中,钴（Co）基催化剂的开发得到了广泛研究。因此,开发可用于Na BH4水解制氢反应的高效、低成本的Co基催化剂意义重大。 本论文以负载型Co基催化剂为研究对象,采用非金属-金属元素掺杂的策略,制备了系列可用于硼氢化钠水解制氢的Co基催化剂。研究内容如下: （1）通过化学还原法制备了具有致密球状堆积结构的负载型Co-B催化剂,通过各种表征手段,研究了载体效应对催化剂氢气生成速率（HGR）的影响。与其他载体相比,γ-Al2O3、AC-S和AC-N载体有效改善了催化剂的分散性,提高了比表面积。性能测试结果表明,30°C下,在最佳浓度中,Co-B/γ-Al2O3、Co-B/AC-S和Co-B/AC-N催化剂的HGR分别为6065.52 m L·gcat-1·min-1、5122.98 m L·gcat-1·min-1和5117.22 m L·gcat-1·min-1;表观活化能分别为45.06 k J·mol-1、47.39 k J·mol-1和51.88 k J·mol-1。 （2）在Co-B/γ-Al2O3催化剂中掺杂了P元素,制备了Co-B-P/γ-Al2O3催化剂。SEM结果显示Co-B-P/γ-Al2O3催化剂继承了Co-B/γ-Al2O3催化剂均匀稳定的结构;BET结果显示P的掺杂提高了催化剂的孔径,为催化剂和反应物分子的相互作用提供了通道;XPS结果显示存在Co向P的电子转移,P的掺杂降低了Co位点的电子云密度。30°C下Co-B-P/γ-Al2O3催化剂在最佳溶液浓度中的HGR为8845.62 k J·mol-1,表观活化能为36.08k J·mol-1。 （3）在Co-B-P/γ-Al2O3催化剂中进一步掺杂了第二过渡金属元素,制备了不同Co:Fe比例的Co-Fe-B-P/γ-Al2O3催化剂,并探究了Fe掺杂比例对催化剂HGR的影响。表征结果显示Fe的掺杂有效提高了Co位点的电子云密度,从而避免Co在反应过程中被氧化。Fe和P的协同作用提升了催化剂的活性,30°C下HGR高达12729.78 m L·gcat-1·min-1,表观活化能为34.88 k J·mol-1。作为对比,在同等条件下制备了不同Co:Ni比例的Co-Ni-B-P/γ-Al2O3催化剂,探究了HGR的影响因素。30°C下HGR为7758 m L·gcat-1·min-1,活化能为39.91 k J·mol-1。