铁、钴和镍纳米颗粒催化胺硼烷水解释氢研究

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相对于利用燃烧煤、石油、天然气作为能源而造成的空气污染以及温室效应,氢能源是目前被认为最干净的可持续能源之一。然而,氢能源的储存运输却是延滞氢能发展的主要原因之一。硼氮氢化合物(borane-nitrogen-hydrogen(B-N-H)compounds)通常有很高的储氢密度,具有很大的实现运输应用要求的潜力。氨硼烷(ammonia borane,AB)作为最简单的硼氮氢化合物,在常温常压下状态稳定,且是固态,除此之外氨硼烷含氢量高达19.6%,是一个非常理想的氢储存和运输的材料。因此,本研究致力于系统性地研究并开发Fe,Co,Ni纳米颗粒作为催化剂,用于催化胺硼烷包括氨硼烷及其甲基衍生物(N-甲基胺硼烷(甲胺硼烷,MeAB),N,N-二甲基胺硼烷(二甲胺硼烷,Me2AB))水解释放出氢气。我们成功地利用四氢呋喃硼烷作为还原剂合成出一系列金属纳米颗粒,Fe NPs,Co NPs,Ni NPs,Fe/ZIF-8 NPs,Co/ZIF-8 NPs和Ni/ZIF-8 NPs,并利用XRD,TEM,XPS进行表征。在这一系列的金属纳米颗粒中,我们发现它们都可高效地催化氨硼烷水解释放氢气。其中Fe NPs,Co NPs,Ni NPs,Co/ZIF-8 NPs,Ni/ZIF-8 NPs催化氨硼烷的TOF值分别为26.2 min-1,82.7 min-1,81.8 min-1,54.6 min-1,66.2 min-1.除此之外,Ni NPs和Co/ZIF-8NPs对甲胺硼烷和二甲胺硼烷也具有较好的催化性能,使其能够完全水解释氢,其中Ni NPs催化甲胺硼烷和二甲胺硼烷水解的TOF值分别为44.1 min-1,23.7 min-1.Co/ZIF-8NPs催化甲胺硼烷和二甲胺硼烷水解的TOF值分别为26.3 min-1,21.7 min-1.此研究成果对于后续开发催化胺硼烷非均相催化剂有着重要的启发。采用一锅法合成氨基乙硼烷(Aminodiborane,ADB),并且尝试利用带不同取代基的氨基乙硼烷与系列胺反应得到新的一系列小分子链状硼氮丁烷类似物,利用NMR来辅助判断其结构,其相关的反应机制和催化制氢反应还需再做进一步的研究讨论。
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