纳米金属Cu负载催化甲醛水溶液制氢:载体效应

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氢能作为一种清洁能源,拥有化石能源无法比拟的优势。获取氢燃料是氢能应用的关键。甲醛在碱性条件下能够产生氢气。这一反应有两大优点:(1)产生的气体是纯净的氢气,不含CO或CO2,(2)反应条件温和。纳米金属能够催化甲醛产氢。但金属粒子容易团聚,降低催化剂产氢活性与稳定性。本论文通过将纳米金属Cu负载在载体上,提高了催化剂产氢活性与稳定性。研究内容包括三部分:(1)通过NaBH4还原的方法将纳米Cu负载到Y2O3表面。通过XRD、XPS、TEM表征以及OH-在Y2O3上的吸附量测试,结果表明在Y2O3的表面形成了一层Y(OH)3薄膜,起到了“富集”OH-的作用;金属Cu负载到Y2O3表面形成金属纳米粒子。对Cu/Y2O3的催化性能进行研究,结果表明,Cu/Y2O3在较低的碱度下表现出比纳米Cu更好的产氢活性。当氢氧化钠的浓度为0.050 mol.L-1,Cu/Y2O3单位时间的产氢活性是纳米Cu的7.8倍,这归因于Y2O3对OH-粒子的“富集”作用,使得Y2O3的表面存在较高浓度的活性物种CH2(OH)O-,同时由于Y2O3对纳米Cu分散作用Cu/Y2O3在反应中的稳定性得到提高。(2)利用浸渍还原法制备出了Cu/BiOCl催化剂,并研究了催化剂催化甲醛产氢的性能。在相同的条件下,Cu/BiOCl的复合催化剂在负载量为5 wt%时,表现出比单纯的纳米铜更好的催化产氢性能。在稳定性试验中,纳米铜在反应1.5 h后基本失去产氢活性,而Cu/BiOCl催化剂则可以长久的保持较高的活性。通过进一步优化反应条件,如甲醛、氢氧化钠浓度、金属负载量等,5 wt%Cu/BiOCl在氮气气氛下,反应80 min的产氢量可以达到140μmol。(3)Cu粒子负载到TiO2颗粒上,表现出高效催化甲醛溶液放氢的性能,催化活性及稳定性均比纯的Cu纳米颗粒高得多。通过进一步优化反应参数,Cu/TiO2的复合催化剂在负载量为10 wt%时,氮气气氛下反应80 min的产氢量可以达到120μmol。
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