CN113522312A - 一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法 - Google Patents

一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113522312A
CN113522312A CN202110959724.9A CN202110959724A CN113522312A CN 113522312 A CN113522312 A CN 113522312A CN 202110959724 A CN202110959724 A CN 202110959724A CN 113522312 A CN113522312 A CN 113522312A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy
nano
porous
preparation
precursor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110959724.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李艳辉
张伟
杨亚苹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202110959724.9A priority Critical patent/CN113522312A/zh
Publication of CN113522312A publication Critical patent/CN113522312A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B01J23/8913Cobalt and noble metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B01J23/8906Iron and noble metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B01J23/892Nickel and noble metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/20Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state
    • B01J35/23Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state in a colloidal state
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/60Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J35/64Pore diameter
    • B01J35/6472-50 nm
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0081Preparation by melting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/34Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
    • B01J37/348Electrochemical processes, e.g. electrochemical deposition or anodisation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/065Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents from a hydride
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明提供一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru‑Fe‑Co合金的制备方法。采用单辊甩带法制备Fe‑Co‑Ru‑B非晶合金条带前驱体;在25~80℃酸性环境下通过化学或电化学工艺对前驱体进行脱合金化制备由单一密排六方相组成、平均孔径和孔壁尺寸分别为5~11nm和10~20nm、的纳米多孔Ru‑Fe‑Co合金。该方法工艺简单、流程短、高效节能,且可对纳米多孔合金的孔径尺寸进行调控,结合纳米多孔结构的高比表面积特征和Ru‑Fe/Co间的双功能效应,获得的Ru‑Fe‑Co纳米多孔合金具有高的氨硼烷水解制氢催化活性,在氨硼烷水解制氢催化剂领域具有应用前景。

Description

一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合 金的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域,涉及一种Ru基纳米多孔合金的制备方法,具体而言,尤其涉及一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法。
背景技术
随着可替代能源需求的不断增长以及环境污染问题的日益严重,氢能因其来源广、能量密度高、燃烧产物仅有水而无污染等优点被视为未来能源结构中最理想的绿色能源。氨硼烷(NH3BH3)具有较高的氢含量和较低的分子量,是一种具有广阔应用前景的化学储氢制氢材料。氨硼烷制氢的方式可分为三种:热分解、醇解和水解,其中由催化剂辅助的水解制氢方式在室温下即可进行,无毒副产物的产生,成本较低,极具应用前景。研制适用于氨硼烷水解制氢的高效催化剂具有重要意义。
贵金属Pt、Ru、Rh和Pd及其合金都对氨硼烷水解制氢有较好的催化活性,其中Ru价格相对较低,但其催化性能也较优异,因此Ru及其合金作为氨硼烷水解制氢用催化剂的潜力巨大。目前,Ru基催化剂大都为采用化学法制备的负载型纳米颗粒。例如,Liang等利用原位还原法制备了负载在炭黑上的纳米Ru,平均直径仅为1.7nm,其对氨硼烷水解表现出优异的催化活性,转化频率(TOF)为429.5mol H2 mol-1Ru min-1[Inter.J.HydrogenEnerg.2012,37:17921]。Cao等利用原位还原法制备了负载在石墨烯上的RuCu纳米粒子,其对氨硼烷水解制氢的TOF值为135mol H2 mol-1Ru min-1[J Alloys Compd.2014,590:241]。Xiong等利用液体浸渍-还原法将RuCuNi纳米粒子固定在碳纳米管上制成催化剂,凭借纳米颗粒在碳纳米管上的均匀分布以及RuCuNi纳米粒子与载体之间的双功能作用,该催化剂的TOF达到了311mol H2 mol-1Ru min-1[Inter.J.Hydrogen Energ.2015,40:15521]。中国发明专利[CN201710455520.5]公开了通过化学还原法制备的Ru-Ni/MIL-110负载型氨硼烷水解制氢用催化剂;中国发明专利[CN202110427663.1]公开了通过热解法制备的Ru1-xCox/P25氨硼烷水解制氢用催化剂,其中P25指锐钛矿与金红石两相的TiO2。虽然这些负载型纳米粒子Ru及其合金对氨硼烷水解制氢具有良好的催化性能,但大都存在制备工艺复杂,效率低,且易团聚,性能易受载体影响等不足。
纳米多孔金属材料具有三维双连通的网络状结构,具有高的比表面积和良好的导电性,且能够独立存在,避免受载体的影响,制备纳米多孔Ru及其合金有望获得新型高效氨硼烷水解制氢催化剂。脱合金化法因操作简单、制备流程短且成本相对较低是制备纳米多孔合金的常用方法。Zhou等利用脱合金化法,将Ru20Al80合金条带在1M HCl溶液中浸泡48h后获得了纳米多孔Ru[Inter.J.Hydrogen Energ.2016,41(30):12714]。但因该纳米多孔合金中只含有Ru,缺乏与Fe、Co等元素形成的双/多金属协同效果,不仅对贵金属的需求量大,该纳米多孔Ru的氨硼烷水解制氢催化性能一般,其TOF仅为26.7mol H2 mol-1Ru min-1。因此,提供一种对贵金属Ru用量低、催化活性高、成本低、制备工艺简单高效的多元Ru基纳米多孔合金的制备方法意义重大。
发明内容
针对现有氨硼烷水解制氢催化用Ru基催化剂的不足或制备工艺复杂的技术问题,本发明提供了一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法。本发明将Ru与Fe、Co间的双功能效应与纳米多孔结构高比表面积优势相结合,利用简单的脱合金化工艺,以FeCoRuB非晶合金条带为前驱体,在酸性环境中以化学或电化学方法制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金。
本发明采用的技术手段如下:
一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法,采用FeaCobRucBd非晶合金条带作为前驱体合金,其中a、b、c、d分别表示对应元素的原子百分比含量,满足:0≤a≤75,0≤b≤50,50≤a+b≤75,5≤c≤20,20≤d≤30,且a+b+c+d=100;
在酸性溶液中,通过化学或电化学方法对前驱体合金进行脱合金化,制备得到具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金;
获得的纳米多孔Ru-Fe-Co合金具有单一密排六方相结构,由Ru以及Fe和Co二者中的至少一种构成,其中Ru的原子百分比含量为50~70;纳米多孔合金具有纳米尺度的孔隙和韧带双连续的纳米多孔结构,平均孔径尺寸为5~11nm,平均韧带厚度为10~20nm。
进一步地,具体包括以下步骤:
步骤一:制备母合金锭
选取纯度不低于99重量%的Fe、Co、Ru、B原料按前驱体合金成分配比进行称量配料;将称量好的原料在氩气或氮气氛下,利用真空电弧熔炼炉熔炼,得到成分均匀的母合金锭;
步骤二:制备合金条带
在氩气或氮气氛围下,利用单辊甩带设备,将熔化后的母合金锭喷射到高速旋转的铜辊上,得到宽度为1~2mm,厚度为20~40μm的非晶态合金条带;
步骤三:采用电化学法或者化学法制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金
采用电化学法制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金包括如下步骤:
将步骤二制备的非晶合金条带作为工作电极,将Ag/AgCl作为参比电极,将Pt片电极作为对电极,在H+浓度为0.2~1.0mol/L的酸性溶液中,利用电化学工作站在-0.2~0.2V恒定电压下对前驱体合金进行脱合金化,腐蚀掉前驱体合金中相对活泼的B和部分Fe、Co元素,剩余的Fe、Co和Ru元素形成纳米多孔结构;将脱合金化后的纳米多孔样品用去离子水反复清洗三次,清洗后放置在真空干燥箱中干燥处理,最终获得由单一密排六方相组成,Ru的原子百分比含量为50~70,平均孔径尺寸为5~11nm,平均韧带厚度为10~20nm的纳米多孔Ru-Fe-Co合金;
采用化学法制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金包括如下步骤:
将步骤二制备的非晶合金条带在H+浓度为1.0~3.0mol/L的酸性溶液中浸泡12~72小时,腐蚀掉前驱体合金中相对活泼的B和部分Fe、Co元素,剩余的Fe、Co和Ru元素形成纳米多孔结构;将浸泡后的纳米多孔样品用去离子水反复清洗三次,清洗后放置在真空干燥箱中干燥处理,最终获得由单一密排六方相组成,Ru的原子百分比含量为50~70,平均孔径尺寸为5~11nm,平均韧带厚度为10~20nm的纳米多孔Ru-Fe-Co合金。
进一步地,前驱体合金条带中的Ru被总量为1~10原子百分比的Pt、Rh、Au、Os和Ir中的至少一种替代。
进一步地,前驱体合金条带中的Fe被1~20原子百分比的Ni替代。
进一步地,非晶合金条带在500~650℃下等温退火10~30分钟形成密排六方相固溶体,再作为前驱体进行化学或电化学脱合金化制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金。
进一步地,脱合金化工艺可在25~80℃温度条件下内进行。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明采用的化学或电化学脱合金化制备技术工艺简单、流程短、操作条件易于控制,并且可通过对合金成分、腐蚀液浓度、脱合金时间、脱合金电位的调整实现对多孔结构的有效调控。
2、本发明所选用的前驱体合金具有非晶结构,化学成分和组织均匀,无晶界和位错等晶体缺陷,可提高纳米多孔金属的结构均匀性和孔径尺寸可控性。
3、本发明提供的纳米多孔Ru-Fe-Co合金催化剂结合了Pt与Fe、Co间的双功能效应和纳米多孔结构高比表面积的优势,具有高的氨硼烷水解制氢催化活性,TOF可达31~66mol H2 mol-1Ru min-1
基于上述理由,本发明可制备高效的纳米多孔Ru-Fe-Co催化剂,用于氨硼烷水解制氢,在新材料领域有推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Fe65Ru5B30非晶合金条带以及脱合金化后形成的纳米多孔合金的X射线衍射图谱。
图2为Fe65Ru5B30非晶合金条带脱合金化后形成的纳米多孔合金的扫描电镜图像。
图3为Fe65Ru5B30非晶合金条带脱合金化后形成的纳米多孔合金对氨硼烷水解的时间关系图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式:
实施例1:前驱体合金成分为Fe65Ru5B30
步骤一:制备母合金锭
选取纯度不低于99重量%的Fe、Ru、B原料按前驱体合金成分配比进行称量配料;将称量好的原料在氩气气氛下,利用真空电弧熔炼炉熔炼,得到成分均匀的母合金锭;
步骤二:制备合金条带
在氩气气氛下,利用单辊甩带设备,将熔化后的母合金锭喷射到高速旋转的铜辊上,得到宽度为1mm,厚度为20μm的合金条带。
利用X射线衍射仪(XRD)检测合金条带的相结构。如附图1所示,XRD结果表明急冷合金条带具有完全非晶结构;
步骤三:采用电化学法制备纳米多孔Ru-Fe合金
将步骤二制备的非晶合金条带作为工作电极,将Ag/AgCl作为参比电极,将Pt片电极作为对电极,在H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液中,利用电化学工作站在-0.10V恒定电压、25℃下对前驱体合金进行脱合金化,腐蚀掉前驱体合金中相对活泼的B和部分Fe元素,剩余的Fe和Ru元素形成纳米多孔结构;将脱合金化后的纳米多孔样品用去离子水反复清洗三次,清洗后放置在真空干燥箱中干燥处理,获得最终样品;
利用XRD和扫描电镜(SEM)对制备的纳米多孔样品的相结构、形貌和成分进行分析。如附图1所示,脱合金后获得的纳米多孔合金由单一密排六方(Ru,Fe)相组成;如附图2所示,纳米多孔合金的平均孔径尺寸(d)为7nm,平均韧带厚度(l)为10nm;通过能谱分析确定纳米多孔样品的化学组成为Ru60Fe40
利用排水法测量纳米多孔合金催化氨硼烷水解产生氢气的速率来评价催化活性。称量相当于0.04mmol[Ru]的纳米多孔RuFe合金置于8ml的去离子水中,经超声震荡制成悬浮液,注射溶于2ml去离子水中的30.8mg氨硼烷溶液,采用水浴锅将温度控制在25℃,每隔30秒记录排出氢气的体积,当不再有氢气泡冒出时,停止记录。如附图3所示,测得纳米多孔Ru60Fe40合金对氨硼烷水解制氢的TOF为46mol H2 mol-1Ru min-1
实施例1的前驱体成分、相结构、获得的纳米多孔合金的成分、d、l和TOF列在附表1中。
实施例2:前驱体合金成分为Fe75Ru5B20
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例1。步骤一、二中使用的保护气为氮气气氛,制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1mm,厚度为25μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为1mol/L的盐酸溶液,恒电位为-0.20V、温度为80℃。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为6nm,l为20nm,合金化学组成为Ru50Fe50。TOF为31mol H2 mol-1Rumin-1。具体数据列于附表1中。
实施例3:前驱体合金成分为Fe65Ru15B20
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例1。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为2mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.5mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为5nm,l为18nm,合金化学组成为Ru70Fe30。TOF为40mol H2 mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例4:前驱体合金成分为Fe55Co15Ru5B25
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例1。步骤一使用的Co的纯度不低于99重量%。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为40μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.1V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为7nm,l为15nm,合金化学组成为Ru55Fe33Co12。TOF为52mol H2 mol- 1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例5:前驱体合金成分为Fe35Co35Ru5B25
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为6nm,l为18nm,合金化学组成为Ru53Fe21Co26。TOF为60mol H2 mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例6:前驱体合金成分为Fe20Co50Ru5B25
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.5mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.20V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为6nm,l为19nm,合金化学组成为Ru50Fe12Co38。TOF为62mol H2 mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例7:前驱体合金成分为Co50Ru20B30
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为1mol/L的硝酸溶液,恒电位为0.20V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为6nm,l为20nm,合金化学组成为Ru59Co41。TOF为48mol H2 mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例8:前驱体合金成分为Fe25Co40Ru3Pt2B30
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤一使用的Pt的纯度不低于99重量%。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为7nm,l为19nm,合金化学组成为Ru33Pt22Fe12Co33。TOF为63mol H2mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例9:前驱体合金成分为Fe25Co40Ru4Rh1B30
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤一使用的Rh的纯度不低于99重量%。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为7nm,l为20nm,合金化学组成为Ru45Rh11Fe12Co32。TOF为64molH2mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例10:前驱体合金成分为Fe25Co40Ru4Ir1B30
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤一使用的Ir的纯度不低于99重量%。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为6nm,l为19nm,合金化学组成为Ru45Ir11Fe12Co32。TOF为63mol H2mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例11:前驱体合金成分为Fe25Co40Ru4Au1B30
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤一使用的Au的纯度不低于99重量%。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为7nm,l为20nm,合金化学组成为Ru44Au11Fe12Co33。TOF为65molH2mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例12:前驱体合金成分为Fe25Co40Ru4Os1B30
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤一使用的Os的纯度不低于99重量%。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为7nm,l为19nm,合金化学组成为Ru44Os11Fe12Co33。TOF为66mol H2mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例13:前驱体合金成分为Fe20Co40Ni5Ru5B30
前驱体合金和纳米多孔合金的制备以及催化性能的测试方法同实施例4。步骤一使用的Ni的纯度不低于99重量%。步骤二制备的非晶前驱体合金条带的宽度为1.5mm,厚度为30μm。脱合金化采用溶液为H+浓度为0.2mol/L的硫酸溶液,恒电位为0.15V。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为7nm,l为18nm,合金化学组成为Ru54Fe11Co32Ni3。TOF为61mol H2mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例14:前驱体合金成分为Fe65Ru10B25
前驱体合金制备方法,即步骤一、二同实施例1。
步骤三:采用化学法制备纳米多孔Ru-Fe合金
将步骤二制备的非晶合金条带放在H+浓度为3mol/L的酸性溶液中、在25℃下浸泡12小时进行脱合金化,腐蚀掉前驱体合金中相对活泼的B和部分Fe元素,剩余的Fe和Ru元素形成纳米多孔结构;将脱合金化后的纳米多孔样品用去离子水反复清洗三次,清洗后放置在真空干燥箱中干燥处理,获得最终样品。
对纳米多孔合金结构、形貌、成分以及催化性能的测试同实施例1。
最终获得的纳米多孔合金的d为6nm,l为15nm,合金化学组成为Ru65Fe35。TOF为42mol H2 mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
实施例15:前驱体合金成分为Fe30Co40Ru5B25
急冷合金条带的制备方法,即步骤一、二同实施例4。
步骤三:将步骤二获得的非晶合金条带置于真空热处理炉中在550℃下等温退火10分钟,经XRD确定热处理后的合金条带为密排六方相结构。
将退火后的合金条带作为前驱体合金,脱合金化制备纳米多孔合金以及催化性能的测试方法同实施例4。脱合金化后制备的纳米多孔合金的d为11nm,l为12nm,合金化学组成为Ru52Fe15Co33。TOF为57mol H2 mol-1Ru min-1。具体数据列于附表1中。
比较例1:商用Ru/C
采用与实施例1相同的排水法测量25℃下商用Ru/C催化剂的催化氨硼烷水解制氢性能,测得其TOF为34mol H2 mol-1Ru min-1。对比数据可知,通过本专利中所述的方法制备的大部分Ru-Fe-Co纳米多孔合金[实施例1、3~15]均可显示出远优于商用Ru/C催化剂的氨硼烷水解制氢催化性能。
比较例2:纳米多孔Ru
选自参考文献[Inter.J.Hydrogen Energ.2016,41(30):12714]。因该纳米多孔合金中只含有Ru,缺乏与Fe、Co等元素形成的双/多金属协同效果,不仅对贵金属的需求量大,该纳米多孔Ru的氨硼烷水解制氢催化性能一般,其TOF仅为26.7mol H2 mol-1Ru min-1,不如采用本发明提供的制备方法制备的纳米多孔Ru-Fe-Co合金。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
表1本发明公开的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的前驱体成分、相结构、纳米多孔合金成分、平均孔径尺寸(d)、平均韧带厚度(l)和室温下对氨硼烷水解制氢的转化频率(TOF)
Figure BDA0003221775520000111

Claims (6)

1.一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法,其特征在于:
采用FeaCobRucBd非晶合金条带作为前驱体合金,其中a、b、c、d分别表示对应元素的原子百分比含量,满足:0≤a≤75,0≤b≤50,50≤a+b≤75,5≤c≤20,20≤d≤30,且a+b+c+d=100;
在酸性溶液中,通过化学或电化学方法对前驱体合金进行脱合金化,制备得到具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金;
获得的纳米多孔Ru-Fe-Co合金具有单一密排六方相结构,由Ru以及Fe和Co二者中的至少一种构成,其中Ru的原子百分比含量为50~70;纳米多孔合金具有纳米尺度的孔隙和韧带双连续的纳米多孔结构,平均孔径尺寸为5~11nm,平均韧带厚度为10~20nm。
2.根据权利要求1所述的具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤一:制备母合金锭
选取纯度不低于99重量%的Fe、Co、Ru、B原料按前驱体合金成分配比进行称量配料;将称量好的原料在氩气或氮气氛下,利用真空电弧熔炼炉熔炼,得到成分均匀的母合金锭;
步骤二:制备合金条带
在氩气或氮气氛围下,利用单辊甩带设备,将熔化后的母合金锭喷射到高速旋转的铜辊上,得到宽度为1~2mm,厚度为20~40μm的非晶态合金条带;
步骤三:采用电化学法或者化学法制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金
采用电化学法制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金包括如下步骤:
将步骤二制备的非晶合金条带作为工作电极,将Ag/AgCl作为参比电极,将Pt片电极作为对电极,在H+浓度为0.2~1.0mol/L的酸性溶液中,利用电化学工作站在-0.2~0.2V恒定电压下对前驱体合金进行脱合金化,腐蚀掉前驱体合金中相对活泼的B和部分Fe、Co元素,剩余的Fe、Co和Ru元素形成纳米多孔结构;将脱合金化后的纳米多孔样品用去离子水反复清洗三次,清洗后放置在真空干燥箱中干燥处理,最终获得由单一密排六方相组成,Ru的原子百分比含量为50~70,平均孔径尺寸为5~11nm,平均韧带厚度为10~20nm的纳米多孔Ru-Fe-Co合金;
采用化学法制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金包括如下步骤:
将步骤二制备的非晶合金条带在H+浓度为1.0~3.0mol/L的酸性溶液中浸泡12~72小时,腐蚀掉前驱体合金中相对活泼的B和部分Fe、Co元素,剩余的Fe、Co和Ru元素形成纳米多孔结构;将浸泡后的纳米多孔样品用去离子水反复清洗三次,清洗后放置在真空干燥箱中干燥处理,最终获得由单一密排六方相组成,Ru的原子百分比含量为50~70,平均孔径尺寸为5~11nm,平均韧带厚度为10~20nm的纳米多孔Ru-Fe-Co合金。
3.根据权利要求1或2所述的具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法,其特征在于,前驱体合金条带中的Ru被总量为1~10原子百分比的Pt、Rh、Au、Os和Ir中的至少一种替代。
4.根据权利要求1或2所述的具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法,其特征在于,前驱体合金条带中的Fe被1~20原子百分比的Ni替代。
5.根据权利要求1或2所述的具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法,其特征在于,非晶合金条带在500~650℃下等温退火10~30分钟形成密排六方相固溶体,再作为前驱体进行化学或电化学脱合金化制备纳米多孔Ru-Fe-Co合金。
6.根据权利要求1或2所述的具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法,其特征在于,脱合金化工艺可在25~80℃温度条件下内进行。
CN202110959724.9A 2021-08-20 2021-08-20 一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法 Pending CN113522312A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110959724.9A CN113522312A (zh) 2021-08-20 2021-08-20 一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110959724.9A CN113522312A (zh) 2021-08-20 2021-08-20 一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113522312A true CN113522312A (zh) 2021-10-22

Family

ID=78091921

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110959724.9A Pending CN113522312A (zh) 2021-08-20 2021-08-20 一种具有高氨硼烷水解制氢催化活性的纳米多孔Ru-Fe-Co合金的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113522312A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103406128A (zh) * 2013-08-13 2013-11-27 山东大学 一种具有纳米多孔结构的纳米颗粒的制备方法
CN105648478A (zh) * 2016-01-13 2016-06-08 大连理工大学 一种具有电氧化催化性能的磁性纳米多孔Fe-Pt合金的制备方法
US20180114615A1 (en) * 2015-05-14 2018-04-26 Dalian University Of Technology Nano-porous alloys with strong permanent magnetism and preparation method therefor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103406128A (zh) * 2013-08-13 2013-11-27 山东大学 一种具有纳米多孔结构的纳米颗粒的制备方法
US20180114615A1 (en) * 2015-05-14 2018-04-26 Dalian University Of Technology Nano-porous alloys with strong permanent magnetism and preparation method therefor
CN105648478A (zh) * 2016-01-13 2016-06-08 大连理工大学 一种具有电氧化催化性能的磁性纳米多孔Fe-Pt合金的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEVENT SEMIZ等: "Nanoporous Pt and Ru catalysts by chemical dealloying of Pt-Al and Ru-Al alloys for ultrafast hydrogen generation", 《JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS》 *
QIUXIA ZHOU等: "Stratified nanoporous PtTi alloys for hydrolysis of ammonia borane", 《JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》 *
赵鑫等: "《制氢与储氢材料及其应用研究》", 30 April 2021, 燕山大学出版社 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xing et al. Pt modified TiO2 nanotubes electrode: preparation and electrocatalytic application for methanol oxidation
Dominguez-Crespo et al. Kinetics of hydrogen evolution reaction on stabilized Ni, Pt and Ni–Pt nanoparticles obtained by an organometallic approach
Jukk et al. Electroreduction of oxygen on sputter-deposited Pd nanolayers on multi-walled carbon nanotubes
Han et al. Synthesis and electrocatalytic activity of Au/Pt bimetallic nanodendrites for ethanol oxidation in alkaline medium
Wang et al. Novel Raney-like nanoporous Pd catalyst with superior electrocatalytic activity towards ethanol electro-oxidation
Saha et al. Composite of Pt–Ru supported SnO2 nanowires grown on carbon paper for electrocatalytic oxidation of methanol
Dan et al. Ti/PbO2+ nano-Co3O4 composite electrode material for electrocatalysis of O2 evolution in alkaline solution
Jukk et al. Oxygen reduction on Pd nanoparticle/multi-walled carbon nanotube composites
CN107552044B (zh) 一种有效素化贵金属并提升其电催化性能的制备方法
CN103155249A (zh) 催化剂颗粒、碳负载催化剂颗粒和燃料电池催化剂,和生产这类催化剂颗粒和碳负载催化剂颗粒的方法
JP2008251413A (ja) 金属酸化物担持カーボンの製造方法
US20130178360A1 (en) Nickel-based electrocatalytic photoelectrodes
Martin-Yerga et al. Insights on the ethanol oxidation reaction at electrodeposited PdNi catalysts under conditions of increased mass transport
Lüsi et al. Electrochemical reduction of oxygen in alkaline solution on Pd/C catalysts prepared by electrodeposition on various carbon nanomaterials
Molodtsova et al. One-step synthesis of γ-Fe2O3/Fe3O4 nanocomposite for sensitive electrochemical detection of hydrogen peroxide
Erikson et al. Electrocatalysis of oxygen reduction on electrodeposited Pd coatings on gold
Lin et al. A facile route to prepare PdPt alloys for ethanol electro-oxidation in alkaline electrolyte
CN104694991A (zh) 一种制备铂金双金属掺杂TiO2纳米管电极的方法
CN110833829A (zh) 一种二氧化钛基金属氧化物复合纳米催化剂材料的原位制备方法
Chattopadhyay et al. Performance of tin doped titania hollow spheres as electrocatalysts for hydrogen and oxygen production in water electrolysis
Jalili et al. Preparation and evaluation of a new hybrid support based on exfoliation of graphite by ball milling for Ni nanoparticles in hydrogen evolution reaction
Qasem et al. Effect of Co (NO 3) 2· 6H 2 O thermal decomposition temperature on the nano-Co 3 O 4 product morphology and electrocatalysis of water oxidation
CN113235108B (zh) 一种MXene负载贵金属团簇催化剂及其制备方法和应用
Kavian et al. Fabrication of novel nanozeolite-supported bimetallic PtCu nanoparticles modified carbon paste electrode for electrocatalytic oxidation of formaldehyde
Ahmadian et al. Production and characterization of high-performance cobalt–nickel selenide catalyst with excellent activity in HER

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211022