NaBH4溶液贮氢体系及其水解催化剂研究

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在对国内外NaBH4溶液水解制氢反应催化剂的研究进展进行全面综述的基础上,本文确定以提高Ni-B和Co-B两种低成本催化剂的催化性能为研究目标,采用XRD、TEM、SEM以及催化水解反应速率测试等手段,比较系统的研究了通过化学掺杂制备的Ni-Fe-B及Co-Fe-B两种三元催化剂及铁粉负载型的Ni-B和Co-B催化剂的成分、结构及水解反应条件(NaOH浓度、反应温度)对其催化水解性能的影响规律与机制,力求使催化剂的催化水解性能进一步得到提高。对于采用Fe掺杂的Ni-Fe-B催化剂,本文首先对比研究了催化剂的成分(Ni/Fe比)对于催化水解性能的影响。研究表明,在所研究的几种Ni-Fe-B催化剂中,以Ni/Fe比为3∶1(实际成分为:Ni2.2Fe0.7B)时的催化性能最好,在40℃时的水解反应产氢速率可达500ml/min。XRD以及TEM观察表明,Ni2.2Fe0.7B具有纳米晶结构,其晶粒尺寸(1.9nm)大于未掺杂Fe的Ni-B催化剂(1.2nm),但其团聚结构的尺寸(15nm)小于未掺杂Fe的Ni-B(20nm)。研究还表明,在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用Ni2.2Fe0.7B催化剂时,水解反应的表观活化能Ea=49.3kJ/mol。在反应温度为45℃的条件下,NaBH4的转化率为92.5%,饱和碱性NaBH4溶液体系的最大贮氢密度为6.82wt%。对于采用Fe掺杂的Co-Fe-B催化剂,本文首先对比研究了催化剂的成分(Co/Fe比)对于催化水解性能的影响。研究表明,在所研究的几种Ni-Fe-B催化剂中,当Co/Fe比为2∶1时具有最好的催化水解性能。在25℃时的水解反应的产氢速率可达360ml/min。TEM观察表明,Co2FeB的团聚结构的粒径为20nm左右。研究表明,在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用Co2FeB催化剂时,水解反应的表观活化能Ea=26.0kJ/mol。在反应温度为45℃的条件下,NaBH4的转化率为94.0%。饱和碱性NaBH4溶液体系在45℃时的最大贮氢密度为6.88wt%。显然,与Ni2.2Fe0.7B催化剂相比,Co2FeB催化剂具有更佳的催化水解性能。对于Fe粉负载型Ni-B催化剂,本文首先对比研究了Fe粉用量及粒度对于催化水解性能的影响。研究表明,在所研究的几种负载型催化剂中,采用1g80目Fe作为载体的负载型Ni-B催化剂具有最好的催化水解性能。在25℃时的水解反应产氢速率可达76ml/min。SEM及TEM观察表明,该催化剂由附着在Fe粉表面的Ni-B以及少量游离的Ni-B团聚粒子组成。附着在Fe表面的Ni-B的团聚粒子的平均粒径为30nm左右。研究也表明,在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用80目Fe粉负载的Ni-B催化剂时,水解反应的表观活化能Ea=60.3kJ/mol。在反应温度为45℃的条件下,NaBH4的转化率为91.7%。饱和碱性NaBH4溶液体系在45℃时的最大贮氢密度为6.77wt%。对于Fe粉负载型Co-B催化剂,本文首先对比研究了Fe粉用量及粒度对于催化水解性能的影响。研究表明,在所研究的几种负载型催化剂中,采用1g80目Fe作为载体的负载型Co-B催化剂具有最好的催化水解性能。在25℃时的水解反应产氢速率可达182ml/min。SEM研究表明,该催化剂由附着在Fe粉表面的Co-B以及少量游离的Co-B团聚粒子组成。附着在Fe表面的Co-B的团聚粒子的平均粒径为50nm左右。研究也表明,在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用80目Fe粉负载的Co-B催化剂时,水解反应的表观活化能Ea=37.1kJ/mol。在反应温度为45℃的条件下,NaBH4的转化率为92.1%。饱和碱性NaBH4溶液体系在45℃时的最大贮氢密度为6.79wt%。与Fe粉负载型的Ni-B催化剂相比,Fe粉负载型的Co-B催化剂具有更佳的催化水解性能。
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