CN108246332A - 一种二维非贵金属负载型催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维非贵金属负载型催化剂，由掺氮碳材料负载活性成分得到，所述活性成分由非贵金属元素Cu、Ni和Co组成。所述二维非贵金属负载型催化剂的制备方法包括：(1)将掺氮碳材料与铜盐、钴盐以及镍盐混合后加入到水中，超声10～20分钟后继续搅拌3～5小时，得到离子浸渍液；(2)将NaBH4水溶液加入到上述离子浸渍液中，搅拌0.5～2小时，经后处理得到所述二维非贵金属负载型催化剂。本发明还公开了一种所述的二维非贵金属负载型催化剂在氨硼烷醇解制氢中的应用，该催化剂与传统催化剂相比，可极大降低成本，简化合成方法，并且其催化性能得到了极大提升。
Description
技术领域
本发明属于储氢材料领域，具体涉及一种用于氨硼烷醇解催化的二维非贵金属负载型催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
氢能作为一种储量丰富能且量密度高的清洁能源，其开发与利用有助于解决能源危机与大气污染等世界性问题，因而受到各国重视。近年来，人们逐渐尝试将燃料电池应用于小型便携式电源。因此，可以预期，化学氢化物由于其出众的储氢量，将在氢基便携式能量系统中发挥重要作用。
氨硼烷(AB)是一种优秀的无毒化学储氢材料，体积密度为146g H2·L-1，具有其他固态储氢材料(如NaBH4，MgH2等)无法比拟的高含氢量(19.6wt.％)，在应用于便携式装置制氢方面具有很高潜力。
AB的主要制氢方式主要有热解、水解及醇解三种。其热分解温度较高、放氢速率较慢，且在热分解过程会产生挥发性有毒副产物(乙硼烷、环硼氮烷等)，严重影响了其实际应用。AB水解制氢是一种简便的脱氢方式，具有能耗低、绿色环保等优点。但是AB本身制备成本较高，而AB的水解产物回收困难，制约了AB水解制氢的实际应用。而AB的醇解制氢避免了产物难以回收的缺点。AB的醇解产物NH4B(OCH3)4在室温下与LiAlH4和NH4Cl反应可重新得到AB，降低了应用成本。
AB醇解制氢的应用关键还是在于降低其反应活化能，因此研究开发出性能优异且廉价的催化剂是促进氨硼烷醇解制氢应用的关键。催化剂的催化性能往往与其组成、尺寸、结构等因素密切相关。目前贵金属催化剂，如Pt、Pd、Rh、Ru等对于氨硼烷的醇解有着极高的催化活性与选择性，然而贵金属催化剂由于成本过高，不具备大规模商业应用价值。因此，开发成本相低廉的非贵金属催化剂，如Cu、Ni、Co等，更具有实际应用价值。
单组分的非贵金属催化剂，由于非贵金属本身电子结构不佳，导致其催化性能远远不如贵金属，所以需要通过引入其他金属元素来改善自身电子结构，并且通过调控形貌来提升其催化性能。在纳米尺寸下，非贵金属的比表面积大大增加，反应活性也有着大幅度的提升，但是高的比表面能导致催化剂颗粒更容易发生团聚现象，降低其循环寿命。通过将金属活性成分负载在载体上，能够有效地抑制其团聚现象的产生，是一种提高催化活性的有效途径。由于无定形掺氮碳材料(NC)具有各向同性的特点，使得金属负载位点更为均匀，也使得负载金属出现了一定的非晶化，改善了负载金属的电子结构。同时，NC具有极高的比表面积，其类似石墨烯的二维结构能极大地增加负载金属与反应物的接触面积比，并且诱导其在二维方向上的成长，同时可以防止金属发生团聚，从而大幅提升负载金属的催化活性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的AB水解不可再生、催化剂成本高等问题，提供一种针对AB醇解反应简单有效的非贵金属负载型复合催化剂及其制备方法。该催化剂与传统催化剂相比，可极大降低成本，简化合成方法，并且其催化性能得到了极大提升。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二维非贵金属负载型催化剂，由掺氮碳材料负载活性成分得到，所述活性成分由非贵金属元素Cu、Ni和Co组成。
通过改变金属配比调控催化剂的最佳成分。以掺氮碳材料NC为载体，将Cu、Ni、Co前驱体按一定调控比例通过NaBH4还原得到催化性能优异的二维非贵金属负载型催化剂Cu-Ni-Co/NC。
优选地，所述的活性成分中，Cu的摩尔量占金属总摩尔量的20～90％，Ni和Co的摩尔比为1：1。
进一步优选，所述的活性成分中，Cu的摩尔量占金属总摩尔量的60～80％，Ni和Co的摩尔比为1：1，该特定比例下的活性成分，使二维非贵金属负载型催化剂的释氢速率较高。
所述活性成分占二维非贵金属负载型催化剂质量的3～8％。
所述二维非贵金属负载型催化剂呈现出二维结构，横截面积集中在2～5nm，这主要是利用NC和特定配比的金属组分之间的相互诱导作用，导致所合成的催化剂以二维纳米级膜状结构沉积在载体上，获得了非常大的比表面能，并能有效抑制过渡金属纳米催化剂的团聚长大。
所述掺氮碳材料中氮元素的摩尔含量为5～8％，NC基底存在的大量的活性悬挂N与负载的活性组分产生协同催化作用，从而最大程度地发挥出稳定的催化性能。
所述掺氮碳材料的制备方法包括：
(ⅰ)将g-C3N4与一定量的葡萄糖溶解于水中，超声4～6小时后在140～200℃条件下反应8～12小时，经过滤、洗涤、干燥，得到载体g-C3N4@Glu；
(ⅱ)在惰性气氛下载体g-C3N4@Glu于700～1000℃下煅烧0.5～2小时，冷却至室温后得到所述掺氮碳材料。
上述制备方法中，g-C3N4由氮源在500～600℃条件下保温3～5小时制备得到；所述氮源为三聚氰胺或尿素。
步骤(ⅰ)中，g-C3N4和葡萄糖的投加质量比为1：3～6。
步骤(ⅱ)中，煅烧过程的升温速率为5～10℃/min。
本发明还提供了所述的二维非贵金属负载型催化剂的制备方法，包括：
(1)将掺氮碳材料与铜盐、钴盐以及镍盐混合后加入到水中，超声10～20分钟后继续搅拌3～5小时，得到离子浸渍液；
(2)将NaBH4水溶液加入到上述离子浸渍液中，搅拌0.5～2小时，经后处理得到所述二维非贵金属负载型催化剂Cu-Ni-Co/NC。
上述制备方法中，步骤(1)中，添加的掺氮碳材料、金属总摩尔量与水的体积之比为40～60mg：0.03～0.05mmol：5～20mL，其中，金属总摩尔量为铜盐中的铜、钴盐中的钴以及镍盐中的镍的摩尔量总和。
步骤(1)中，所述的钴盐中的钴以及镍盐中的镍的摩尔比为1:1，同时控制铜盐中的铜的摩尔量占金属总摩尔量的20～90％。
作为优选，所述铜盐中的铜、钴盐中的钴以及镍盐中的镍的摩尔比为8:1:1，该配比下所得二维非贵金属负载型催化剂的性能最佳。
步骤(2)中，NaBH4水溶液的浓度为0.2～0.5mol/L，NaBH4水溶液的投加摩尔量为步骤(1)中添加的金属总摩尔量的10～20倍。本发明采用共还原法，将Cu、Ni、Co前驱体按调控比例完全沉积于NC基底表面，形成金属纳米膜状结构。另外，NC基底有着大量的活性悬挂N，它们与负载的活性组分产生协同催化作用，从而最大程度地发挥出稳定的催化性能。
本发明还提供了一种所述的二维非贵金属负载型催化剂在氨硼烷醇解制氢中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)制备得到的催化剂表面积高达1244m2g-1，利用多元金属内部的电子转移结构，以及载体的分散作用，极大提升了催化剂的活性。此外，本发明首次通过共还原法，将二维纳米金属膜良好地沉积在NC表面，获得了平均横截面积在2～5nm的高分散性三元金属负载型催化剂。
(2)本发明还利用NC中大量的悬挂N原子产生的活性位点，这些活性位点和金属之间可产生协同催化作用，从而最大程度地发挥出稳定的催化性能。催化剂在室温条件下，AB醇解产氢速率高达70.2molH2molcat -1min-1，表观活化能为23.8kJ/mol。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Cu8Ni1Co1/NC催化剂的透射电镜图；
图2为本发明对比例4制备的Cu8Ni1Co1/g-C3N4催化剂的透射电镜图；
图3为本发明实施例1～5和对比例1制备的催化剂在室温条件下催化氨硼烷醇解释氢性能测试图；
图4为本发明实施例1～5和对比例1制备的催化剂的XRD图像；
图5为本发明实施例1和对比例2～3制备的催化剂在室温条件下催化氨硼烷醇解释氢性能测试图；
图6为本发明实施例1和对比例4制备的催化剂在室温条件下催化氨硼烷醇解释氢性能测试图；
图7为本发明实施例1制备的Cu8Ni1Co1/NC催化剂在不同温度下催化氨硼烷水解释氢的Arrhenius活化能测试图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步清楚、详细、完整地说明，所列实例仅对本发明予以进一步的说明，并不因此而限制本发明：
实施例1
三元非贵金属Cu8Ni1Co1/NC纳米催化剂的制备:
(1)称取100g三聚氰胺为氮源，在550℃下煅烧4h，制得黄色的g-C3N4。
取2g g-C3N4和2.4g葡萄糖C6H12O6·H2O溶于40mL去离子水中。将溶液先以400r/min搅拌10min，再超声6h，最后在160℃下水热反应12h，得到焦糖包覆g-C3N4的水溶液。将水热反应后的溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥。烘干后的固体为焦糖包覆g-C3N4，将其放入管式炉内，在氮气保护下，以5℃/min的升温速率加热，在900℃下保温1h，制得NC。
(2)取50mg NC于烧杯中，加入10ml去离子水，超声10min。分别称量61.3mgCuCl2·2H2O，10.7mg CoCl2·6H2O和10.7mg NiCl2·6H2O，加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.36mmol Cu2+，0.045mmol Ni2+和0.045mmol Co2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌4h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌1h，得到含Cu8Co1Ni1/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu8Co1Ni1/NC催化剂，即所述的二维非贵金属负载型催化剂。
本实施例制备的Cu8Co1Ni1/NC催化剂的透射电镜图如图1所示，其中1(a)为整体TEM图像，图1(b)为局部放大TEM图像，由图可知，Cu8Co1Ni1/NC催化剂呈现出极薄的二维膜状结构，横截面直径集中在2～5nm。
实施例2
三元非贵金属Cu6Ni2Co2/NC纳米催化剂的制备:
称取50.0mg实施例1中制备的NC粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。分别称量46mg CuCl2·2H2O，21.4mg CoCl2·6H2O和21.4mg NiCl2·6H2O，加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.27mmol Cu2+，0.09mmol Ni2+和0.09mmol Co2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌4h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌2h，得到含Cu6Ni2Co2/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu6Ni2Co2/NC催化剂，即所述的二维非贵金属负载型催化剂。
实施例3
三元非贵金属Cu4Ni3Co3/NC纳米催化剂的制备:
称取50.0mg实施例1中制备的NC粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。分别称量30.6mg CuCl2·2H2O，32mg CoCl2·6H2O和32mg NiCl2·6H2O，加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.18mmol Cu2+，0.135mmol Ni2+和0.135mmol Co2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌5h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌1h，得到含Cu4Ni3Co3/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu4Co3Ni3/NC催化剂，即所述的二维非贵金属负载型催化剂。
实施例4
三元非贵金属Cu2Ni4Co4/NC纳米催化剂的制备:
称取50.0mg实施例1中制备的NC粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。分别称量14mg CuCl2·2H2O，43mg CoCl2·6H2O和43mg NiCl2·6H2O，加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.09mmol Cu2+，0.18mmol Ni2+和0.18mmol Co2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌3h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌1.5h，得到含Cu2Ni4Co4/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu2Ni4Co4/NC催化剂，即所述的二维非贵金属负载型催化剂。
实施例5
三元非贵金属Cu9Ni0.5Co0.5/NC纳米催化剂的制备：
称取50.0mg实施例1中制备的NC粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。分别称量69mg CuCl2·2H2O，5.4mg CoCl2·6H2O和5.4mg NiCl2·6H2O，加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.405mmol Cu2+，0.0225mmol Ni2+和0.0225mmol Co2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌4h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌0.5h，得到含Cu9Ni0.5Co0.5/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu9Ni0.5Co0.5/NC催化剂，即所述的二维非贵金属负载型催化剂。
对比例1
非贵金属Cu/NC纳米催化剂的制备：
称取50.0mg实施例1中制备的NC粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。称量76.6mg CuCl2·2H2O加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.45mmol Cu2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌4h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌1h，得到含Cu/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu/NC催化剂。
对比例2
二元非贵金属Cu8Co2/NC纳米催化剂的制备：
称取50.0mg实施例1中制备的NC粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。分别称量61.3mg CuCl2·2H2O和21.4mg CoCl2·6H2O，加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.36mmol Cu2+和0.09mmol Co2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌4h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌1h，得到含Cu8Co2/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu8Co2/NC催化剂。
对比例3
二元非贵金属Cu8Ni2/NC纳米催化剂的制备：
称取50.0mg实施例1中制备的NC粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。分别称量61.3mg CuCl2·2H2O和21.4mg NiCl2·6H2O，加入10mL去离子水，得0.45mmol的离子源溶液(含0.36mmol Cu2+和0.09mmol Ni2+)。将1mL离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的NC水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌4h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌1h，得到含Cu8Ni2/NC的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu8Ni2/NC催化剂。
对比例4
三元非贵金属Cu8Ni1Co1/g-C3N4纳米催化剂的制备:
称取50.0mg实施例1中制备的g-C3N4粉体分散于50mL去离子水中，超声分散10min。将1mL实施例1中离子源溶液和1.5mL的去离子水加入到超声完毕的g-C3N4水溶液中，然后在400r/min下封膜搅拌4h，得离子浸渍液。
称取20mg的NaBH4+2.5mL的去离子水，配置成NaBH4水溶液，加入到上述离子浸渍液中，继续搅拌1h，得到含Cu8Ni1Co1/g-C3N4的水溶液。将溶液在12000r/min的转速下进行离心，并加入去离子水进行清洗。将其反复离心清洗三次后，所得固体在70℃下真空干燥，得到Cu8Ni1Co1/g-C3N4催化剂。
本对比例制备的Cu8Ni1Co1/g-C3N4催化剂的透射电镜图如图2所示，金属成分以纳米颗粒的形式负载在片状g-C3N基底上，并且呈现出较为严重的团聚形态。
应用实施例1
催化剂条件下的氨硼烷醇解释氢实验：
为考察催化剂对于氨硼烷醇解释氢的催化效果，本发明进行了催化剂条件下的氨硼烷醇解释氢实验，实验过程如下：
催化实验在50ml的单口圆底烧瓶中进行。将20mg催化剂与3mL甲醇转入圆底烧瓶中，烧瓶的端口通过橡胶管与装满水的500ml量筒相连，当氢气产生时，产生的气体会将量筒内等体积的水排除，通过液面高度变化即可读出氢气产生量。将实验装置转入到25℃的水热锅中并进行磁力搅拌，搅拌速率为300r/min。将30mg氨硼烷溶于2mL甲醇中，并通过注射器加入到圆底烧瓶中，此时反应开始，前3分钟，每30s读一次，后12分钟，每1min读一次，共读取15分钟。
本发明实施例1～5和对比例1制备的催化剂在室温条件下催化氨硼烷醇解释氢的性能图如图3所示。其中，Cu8Ni1Co1/NC和Cu6Ni2Co2/NC表现出了优秀的催化性能，Cu8Ni1Co1/NC在13min内便可以释放95％的氢气。
本发明实施例1～5和对比例1制备的催化剂的XRD图像如图4所示。其中只有Cu/NC显示出较为明显的CuO衍射峰，而其他Cu-Ni-Co三元样品的衍射曲线都显示出了高度的非晶化现象。这说明Cu-Ni-Co三元体系能够提升催化剂的非晶化程度。
本发明实施例1和对比例2～3制备的催化剂在室温条件下催化氨硼烷醇解释氢性能测试图如图5所示。由图可知，只有三元体系表现出了优秀的催化活性，二元体系催化剂在AB醇解释氢中并没有表现出催化活性。
本发明实施例1和对比例4制备的催化剂在室温条件下催化氨硼烷醇解释氢性能测试图如图6所示。其中以NC为基底的催化剂表现出了更高的催化活性。
应用实施例2
不同温度条件下催化剂的释氢速率与活化能测试
在不同的温度下(15、25、35、45和55℃)，采用实施例1制备的样品，通过应用实施例1的方法催化氨硼烷醇解释氢。
实施例1制备的Cu8Ni1Co1/NC催化剂在288.5K，298.5K，308.5K，318.5K，328.5K催化氨硼烷醇解释氢的Arrhenius活化能测试图如图7所示，结果显示释氢速率与温度呈正相关关系，温度越高，释氢速率越高。通过阿伦尼乌斯公式，计算得到Cu8Ni1Co1/NC催化反应的活化能为23.8kJ mol-1。
Claims (10)
1.一种二维非贵金属负载型催化剂，其特征在于，由掺氮碳材料负载活性成分得到，所述活性成分由非贵金属元素Cu、Ni和Co组成。
2.根据权利要求1所述的二维非贵金属负载型催化剂，其特征在于，所述活性成分占二维非贵金属负载型催化剂质量的3～8％。
3.根据权利要求1所述的二维非贵金属负载型催化剂，其特征在于，所述的活性成分中，Cu的摩尔量占金属总摩尔量的20～90％，Ni和Co的摩尔比为1：1。
4.根据权利要求1所述的二维非贵金属负载型催化剂，其特征在于，所述掺氮碳材料的制备方法包括：
(ⅰ)将g-C3N4与一定量的葡萄糖溶解于水中，超声4～6小时后在140～200℃条件下反应8～12小时，经过滤、洗涤、干燥，得到载体g-C3N4@Glu；
(ⅱ)在惰性气氛下载体g-C3N4@Glu于700～1000℃下煅烧0.5～2小时，冷却至室温后得到所述掺氮碳材料。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的二维非贵金属负载型催化剂的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将掺氮碳材料与铜盐、钴盐以及镍盐混合后加入到水中，超声10～20分钟后继续搅拌3～5小时，得到离子浸渍液；
(2)将NaBH4水溶液加入到上述离子浸渍液中，搅拌0.5～2小时，经后处理得到所述二维非贵金属负载型催化剂。
6.根据权利要求5所述的二维非贵金属负载型催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，添加的掺氮碳材料、金属总摩尔量与水的体积之比为40～60mg：0.03～0.05mmol：5～20mL。
7.根据权利要求5所述的二维非贵金属负载型催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的钴盐中的钴以及镍盐中的镍的摩尔比为1:1，同时控制铜盐中的铜的摩尔量占金属总摩尔量的20～90％。
8.根据权利要求7所述的二维非贵金属负载型催化剂的制备方法，其特征在于，所述铜盐中的铜、钴盐中的钴以及镍盐中的镍的摩尔比为8:1:1。
9.根据权利要求5所述的二维非贵金属负载型催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，NaBH4水溶液的浓度为0.2～0.5mol/L，NaBH4水溶液的投加摩尔量为步骤(1)中添加的金属总摩尔量的10～20倍。
10.一种根据权利要求1～4任一项所述的二维非贵金属负载型催化剂在氨硼烷醇解制氢中的应用。
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| CN108246332B (zh) | 2020-01-14 |
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