CN105789638A - 一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法 - Google Patents

一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以碳量子点为晶种的无定形Ni‑B/CDs催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：⑴将葡萄糖溶液置于微波炉中反应至橙黄色，再加入去离子水稀释，得到橙黄色碳量子点溶液；⑵将NaBH4固体溶于去离子水中，再加入NaOH溶液调节溶液pH值至8~14，得到碱性硼氢化钠溶液；⑶在NiCl2·6H2O固体中加入所述橙黄色碳量子点溶液，置于水浴锅中恒温搅拌，得到橙黄色澄清液；再将所述碱性硼氢化钠溶液缓慢加入到该橙黄色澄清液中，得到黑色溶液；⑷将所述黑色溶液经去离子水‑无水乙醇混合液洗涤、离心、真空干燥后，即得以碳量子点为晶种的无定型Ni‑B/CDs催化剂。本发明方法简单、成本低且在能源方面具有潜在应用价值。

Description

一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及硼氢化钠水解制氢催化剂制备技术领域，尤其涉及一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法。
背景技术
氢能作为一种洁净的、可再生的新能源，由于其热值高、对环境无污染等特点而受到了科研人员越来越多的关注。
NaBH4是一种金属氢化物储氢材料，储运过程中安全无危害、成本低、储氢量大、放氢速度快、易活化，其催化水解制氢是一种方便、实用且能制备成本低的制氢技术，其优点在于：氢的生成速度容易控制；制得的氢气纯度高，可直接作为燃料电池的燃料；催化剂可循环利用；NaBH4水解后产生的副产物NaBO2无污染且可以回收循环使用。
目前对于硼氢化钠水解产氢的技术研究较多的是催化剂的制备，即NaBH4碱性水溶液通过载有Pt、Ru等活性物质的催化剂发生水解反应产生H2，但是还存在着很多的问题，例如使用贵重金属作为催化剂；催化剂在使用过程中遭到破坏等，使得此种方法的实际应用受到了极大的限制。也有人想到用过渡金属代替价格昂贵的铂系金属，但是过渡金属催化剂在制备时需加入大量的表面活性剂防止金属纳米颗粒团聚，而表面活性剂的加入不仅会影响其催化性能，而且会增加催化剂制备的成本，因而这个方法并没有得到广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单、成本低的以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，包括以下步骤：
⑴将质量分数为10~30%葡萄糖溶液置于微波炉中反应至橙黄色，再加入所述葡萄糖溶液体积1~5倍的去离子水稀释，得到橙黄色碳量子点溶液；
⑵将NaBH4固体溶于5~15mL去离子水中，再加入质量分数为0.03~0.07%的NaOH溶液调节溶液pH值至8~14，得到碱性硼氢化钠溶液；所述NaBH4与NaOH的摩尔量比为1：10~80；
⑶在NiCl2·6H2O固体中加入5~20mL所述橙黄色碳量子点溶液，置于水浴锅中恒温搅拌10~90min，得到橙黄色澄清液；再将所述碱性硼氢化钠溶液缓慢加入到该橙黄色澄清液中，得到黑色溶液；所述NiCl2·6H2O与NaBH4的摩尔量比为1：5~50；
⑷将所述黑色溶液经去离子水-无水乙醇混合液洗涤、离心、真空干燥后，即得以碳量子点为晶种的无定型Ni-B/CDs催化剂。
所述步骤⑶中水浴锅中恒温搅拌的温度为15~60℃。
所述步骤⑶中的搅拌的速度为20~50rpm。
所述步骤⑷中去离子水-无水乙醇混合液是指将去离子水与无水乙醇按1：0.1~0.5的体积比混合均匀而得的溶液。
所述步骤⑷中离心的条件是指速率为5000~10000rpm，离心次数为2~8次，每次时间为60~180s。
所述步骤⑷中真空干燥的条件是指真空度为-0.09~-0.07MPa、温度为40~70℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明选择碳量子点做为晶种诱导过渡金属镍成核，制备无定形的Ni-B/CDs催化剂。从图1中可以看出，Ni-B/CDs为不规则的纳米尺度的小颗粒；SAED图表明制备的Ni-B/CDs催化剂为非晶态，这与图3所示结果一致，说明本发明制备得到的是无定形纳米Ni-B/CDs催化剂。
2、本发明将碳量子点与金属催化剂结合，而碳量子点因为制备过程简单且成本低，因此，大大降低了催化剂的制备成本，从而解决了硼氢化钠水解产氢催化剂制备成本昂贵这一问题。从图5可以看出，随着反应温度的升高，本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂的产氢速率明显增大。从图6可以看出，本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂的活化能为24.80kJ·mol-1。
3、本发明选取碳量子点代替以往的表面活性剂制备出无定形的Ni-B/CDs纳米颗粒，不仅减小了催化剂的制备成本，同时也提高了催化剂的催化性能。从图4中可以看出，Ni-B/CDs的催化性能明显高于Ni-B/PVP催化剂和Ni-B催化剂。
4、本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂经EDX测试，可以清晰地看到镍、碳、铜元素的特征峰，其中铜元素来自于铜网，镍、碳则来自于本发明中制备的Ni-B/CDs催化剂，结果表明以碳量子点为晶种用化学还原法制备的Ni-B/CDs催化剂具有较高的纯度。其中在EDX测试中，很难检测到序数较小的硼元素（参见图2）。
5、本发明制备过程为常温反应，简单易行。
6、本发明方法简单、成本低、环境污染小、且安全高效。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂的透射电镜(TEM)照片，插图为选择区域电子衍射图（SAED）。
图2为本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂的能量色散X射线光谱（EDX）。
图3为本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂的粉末X射线衍射（XRD）。
图4为本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂、以聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂制备的Ni-B/PVP催化剂以及不加碳量子点制备的Ni-B催化剂分别催化硼氢化钠水解产氢曲线。
图5为本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂在不同温度下催化硼氢化钠水解产氢曲线。
图6为本发明所得的无定形Ni-B/CDs催化剂催化硼氢化钠水解产氢反应的活化能。
具体实施方式
实施例1 一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，包括以下步骤：
⑴将10mL质量分数为25%葡萄糖溶液置于微波炉中反应至橙黄色，再加入葡萄糖溶液体积3倍的去离子水稀释，得到橙黄色碳量子点溶液。
⑵将NaBH4固体溶于15mL去离子水中，再加入质量分数为0.03%的NaOH溶液调节溶液pH值至11，得到碱性硼氢化钠溶液。
其中：NaBH4与NaOH的摩尔量比为1：20。
⑶在NiCl2·6H2O固体中加入10mL橙黄色碳量子点溶液，置于温度为30℃的水浴锅中以30rpm的速度恒温搅拌30min，得到橙黄色澄清液；再将碱性硼氢化钠溶液缓慢加入到该橙黄色澄清液中，得到黑色溶液。
其中：NiCl2·6H2O与NaBH4的摩尔量比为1：20。
⑷将黑色溶液经去离子水-无水乙醇混合液洗涤，然后以10000rpm的速率离心5次，每次时间为80s，得到沉淀物，该沉淀物在真空度为-0.09MPa、温度为70℃的条件下经真空干燥后，即得以碳量子点为晶种的无定型Ni-B/CDs催化剂。
其中：去离子水-无水乙醇混合液是指将去离子水与无水乙醇按1：0.3的体积比（mL/mL）混合均匀而得的溶液。
实施例2 一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，包括以下步骤：
⑴将10mL质量分数为15%葡萄糖溶液置于微波炉中反应至橙黄色，再加入葡萄糖溶液体积2倍的去离子水稀释，得到橙黄色碳量子点溶液。
⑵将NaBH4固体溶于12mL去离子水中，再加入质量分数为0.05%的NaOH溶液调节溶液pH值至13，得到碱性硼氢化钠溶液。
其中：NaBH4与NaOH的摩尔量比为1：10。
⑶在NiCl2·6H2O固体中加入15mL橙黄色碳量子点溶液，置于温度为15℃的水浴锅中以20rpm的速度恒温搅拌40min，得到橙黄色澄清液；再将碱性硼氢化钠溶液缓慢加入到该橙黄色澄清液中，得到黑色溶液。
其中：NiCl2·6H2O与NaBH4的摩尔量比为1：5。
⑷将黑色溶液经去离子水-无水乙醇混合液洗涤，然后以8000rpm的速率离心6次，每次时间为100s，得到沉淀物，该沉淀物在真空度为-0.09MPa、温度为50℃的条件下经真空干燥后，即得以碳量子点为晶种的无定型Ni-B/CDs催化剂。
其中：去离子水-无水乙醇混合液是指将去离子水与无水乙醇按1：0.1的体积比（mL/mL）混合均匀而得的溶液。
实施例3 一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，包括以下步骤：
⑴将15mL质量分数为30%葡萄糖溶液置于微波炉中反应至橙黄色，再加入葡萄糖溶液体积1倍的去离子水稀释，得到橙黄色碳量子点溶液。
⑵将NaBH4固体溶于8mL去离子水中，再加入质量分数为0.04%的NaOH溶液调节溶液pH值至8，得到碱性硼氢化钠溶液。
其中：NaBH4与NaOH的摩尔量比为1：80。
⑶在NiCl2·6H2O固体中加入5mL橙黄色碳量子点溶液，置于温度为60℃的水浴锅中以50rpm的速度恒温搅拌10min，得到橙黄色澄清液；再将碱性硼氢化钠溶液缓慢加入到该橙黄色澄清液中，得到黑色溶液。
其中：NiCl2·6H2O与NaBH4的摩尔量比为1：50。
⑷将黑色溶液经去离子水-无水乙醇混合液洗涤，然后以9000rpm的速率离心2次，每次时间为180s，得到沉淀物，该沉淀物在真空度为-0.07MPa、温度为80℃的条件下经真空干燥后，即得以碳量子点为晶种的无定型Ni-B/CDs催化剂。
其中：去离子水-无水乙醇混合液是指将去离子水与无水乙醇按1：0.5的体积比（mL/mL）混合均匀而得的溶液。
实施例4 一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，包括以下步骤：
⑴将20mL质量分数为10%葡萄糖溶液置于微波炉中反应至橙黄色，再加入葡萄糖溶液体积5倍的去离子水稀释，得到橙黄色碳量子点溶液。
⑵将NaBH4固体溶于5mL去离子水中，再加入质量分数为0.07%的NaOH溶液调节溶液pH值至14，得到碱性硼氢化钠溶液。
其中：NaBH4与NaOH的摩尔量比为1：40。
⑶在NiCl2·6H2O固体中加入20mL橙黄色碳量子点溶液，置于温度为40℃的水浴锅中以40rpm的速度恒温搅拌90min，得到橙黄色澄清液；再将碱性硼氢化钠溶液缓慢加入到该橙黄色澄清液中，得到黑色溶液。
其中：NiCl2·6H2O与NaBH4的摩尔量比为1：30。
⑷将黑色溶液经去离子水-无水乙醇混合液洗涤，然后以5000rpm的速率离心8次，每次时间为60s，得到沉淀物，该沉淀物在真空度为-0.08MPa、温度为40℃的条件下经真空干燥后，即得以碳量子点为晶种的无定型Ni-B/CDs催化剂。
其中：去离子水-无水乙醇混合液是指将去离子水与无水乙醇按1：0.4的体积比（mL/mL）混合均匀而得的溶液。

Claims (6)

1.一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，包括以下步骤：
⑴将质量分数为10~30%葡萄糖溶液置于微波炉中反应至橙黄色，再加入所述葡萄糖溶液体积1~5倍的去离子水稀释，得到橙黄色碳量子点溶液；
⑵将NaBH4固体溶于5~15mL去离子水中，再加入质量分数为0.03~0.07%的NaOH溶液调节溶液pH值至8~14，得到碱性硼氢化钠溶液；所述NaBH4与NaOH的摩尔量比为1：10~80；
⑶在NiCl2·6H2O固体中加入5~20mL所述橙黄色碳量子点溶液，置于水浴锅中恒温搅拌10~90min，得到橙黄色澄清液；再将所述碱性硼氢化钠溶液缓慢加入到该橙黄色澄清液中，得到黑色溶液；所述NiCl2·6H2O与NaBH4的摩尔量比为1：5~50；
⑷将所述黑色溶液经去离子水-无水乙醇混合液洗涤、离心、真空干燥后，即得以碳量子点为晶种的无定型Ni-B/CDs催化剂。
2.如权利要求1所述的一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中水浴锅中恒温搅拌的温度为15~60℃。
3.如权利要求1所述的一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中的搅拌的速度为20~50rpm。
4.如权利要求1所述的一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中去离子水-无水乙醇混合液是指将去离子水与无水乙醇按1：0.1~0.5的体积比混合均匀而得的溶液。
5.如权利要求1所述的一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中离心的条件是指速率为5000~10000rpm，离心次数为2~8次，每次时间为60~180s。
6.如权利要求1所述的一种以碳量子点为晶种的无定形Ni-B/CDs催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤⑷中真空干燥的条件是指真空度为-0.09~-0.07MPa、温度为40~70℃。
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