可见光响应型非贵金属纳米材料的设计合成及其在催化硼烷氨放氢中的应用
发布时间：2020-05-12 16:14
【摘要】：氢气因其热值高、燃烧无污染等特点,被视为理想的替代能源之一,而开发新型储氢材料并探索温和条件下氢的高效释放是解决氢能利用的关键。硼烷氨(NH_3BH_3)具有高的含氢量(19.6 wt%),是一种具有应用前景的储氢材料。与能够催化NH_3BH_3水解放氢的贵金属催化剂相比,非贵金属催化剂的活性低,达不到应用要求。在催化NH_3BH_3水解放氢反应(NH_3BH_3+2H_2O?NH_4BO_2+3H_2)中,由于还原反应占主导,那么提高催化剂中活性中心的电子密度便能够提高其放氢活性,而光催化是实现该设计的有效途径之一。基于此,本论文从调控催化剂中活性金属纳米颗粒的电子密度角度出发,设计合成了三类含有可见光响应载体的非贵金属纳米催化剂,并系统考察了其光催化NH_3BH_3的放氢性能,得到如下主要结果:(1)利用具有表面等离子体共振(SPR)效应的金属(如Cu)颗粒在特定波段的光激发下能够产生自由电子的特性,设计合成了四种不同形貌的金属Cu颗粒(立方体、八面体、十二面体和球体),并以其为载体构筑了一系列Co和Ni催化剂,研究了催化剂在室温下光催化NH_3BH_3的放氢性能。结果表明,在可见光照射下,催化剂中电子从Cu向催化活性中心Co、Ni转移,使得催化剂的放氢活性大幅提高,其中Co/Cu催化剂的转化频率(TOF)达到83.3-176.5 min~(-1)。另外,Cu颗粒的不同形貌导致催化剂具有不同的催化活性,其中基于立方体Cu的催化剂活性最高,而基于十二面体Cu的催化剂活性最低。(2)利用石墨烯良好的导电特性,设计合成了Cu纳米颗粒沉积于还原氧化石墨烯(rGO)上的载体Cu-rGO和相应的负载型Co、Ni催化剂,并研究了催化剂在室温下光催化NH_3BH_3的放氢性能。结果表明,rGO抑制了Cu纳米颗粒表面的光生电子与空穴的复合,进而大幅提高了Cu纳米颗粒的光生电子利用效率和催化剂的放氢活性,其中Co/Cu-rGO的TOF值达到了280.1 min~(-1)。当向rGO表面引入绝缘体SiO_2,构造电子传输通道后,催化剂Co/Cu-rGO-SiO_2的活性大幅提升,其TOF值达到407.1 min~(-1),这是目前报道的非贵金属催化剂活性的最高值。另外,催化剂在单波长可见光照射下的性能研究表明,催化剂在550 nm光照下的活性最高,这证实了催化剂的活性提升是由Cu纳米颗粒的表面等离子共振效应引起的。(3)利用不同能带结构的半导体影响其光催化性能和石墨烯能够提高半导体的载流子分离效率的特性,设计合成了禁带宽度不同的半导体氮化碳(C_3N_4)与rGO的复合载体C_3N_4-rGO和相应的负载型Co催化剂,并研究了催化剂在室温下光催化NH_3BH_3的放氢性能。结果表明,与仅以C_3N_4为载体的催化剂相比,以C_3N_4-rGO为载体的催化剂活性大幅提升,当复合载体中C_3N_4与rGO的质量比为2:1时,催化剂活性最高,其TOF值达到208.6 min~(-1)。
【图文】：
图 1.1 世界能源消耗（数据来源：PEAK OILBARREL）Fig. 1.1 World primary energy consumption.大家已经意识到，过度消耗化石燃料不仅会造成其消失速度加快的破坏。气候变化是人类在 21 世纪面对的首要环境问题：一方面健康，例如改变病菌传播疾病的分布，或者增大洪涝、干旱的频率要环境问题就是化石燃料燃烧产生的温室气体造成的全球气温升高年里，CO2的整体水平上升了 31 %；上个世纪全球平均气温上升
图 1.2 清洁能源示意图：太阳能、风能、地热能、生物质能Fig. 1.2 Schematic representation of the clean solar energy, wind energy, geothermal energy and b1.2 氢能几个世纪以来，氢气已经引起了几代科研人的兴趣，例如 Jules Verne[1,2]。在将来，氢气是化石燃料的取代者之一。氢气的能量转换为热能或者电能的过程非常简燃烧产物只有水。相较于化石能源和其他清洁能源，氢气的优势方面如下：氢是最多的成分，其含量占到宇宙中物质的 75 %；除去核反应外，，氢所能提供的能量最高的，例如汽油的发热值仅为氢的三分之一左右；氢本身没有毒性，燃烧后生，而且能够再次生成氢气循环使用。氢能作为一种高效、无污染、可再生的“无碳世界的广泛认可，被称为未来新世纪的能源。发展氢能既能大幅降低对化石能源又可以在一定程度上保障能源安全。对于以氢为动力的新型能源汽车的广泛应用行的便携储氢系统是相当重要的。根据最新的美国能源部门对车载储氢系统的要求
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2
本文编号：2660491
【图文】：
图 1.1 世界能源消耗（数据来源：PEAK OILBARREL）Fig. 1.1 World primary energy consumption.大家已经意识到，过度消耗化石燃料不仅会造成其消失速度加快的破坏。气候变化是人类在 21 世纪面对的首要环境问题：一方面健康，例如改变病菌传播疾病的分布，或者增大洪涝、干旱的频率要环境问题就是化石燃料燃烧产生的温室气体造成的全球气温升高年里，CO2的整体水平上升了 31 %；上个世纪全球平均气温上升
图 1.2 清洁能源示意图：太阳能、风能、地热能、生物质能Fig. 1.2 Schematic representation of the clean solar energy, wind energy, geothermal energy and b1.2 氢能几个世纪以来，氢气已经引起了几代科研人的兴趣，例如 Jules Verne[1,2]。在将来，氢气是化石燃料的取代者之一。氢气的能量转换为热能或者电能的过程非常简燃烧产物只有水。相较于化石能源和其他清洁能源，氢气的优势方面如下：氢是最多的成分，其含量占到宇宙中物质的 75 %；除去核反应外，，氢所能提供的能量最高的，例如汽油的发热值仅为氢的三分之一左右；氢本身没有毒性，燃烧后生，而且能够再次生成氢气循环使用。氢能作为一种高效、无污染、可再生的“无碳世界的广泛认可，被称为未来新世纪的能源。发展氢能既能大幅降低对化石能源又可以在一定程度上保障能源安全。对于以氢为动力的新型能源汽车的广泛应用行的便携储氢系统是相当重要的。根据最新的美国能源部门对车载储氢系统的要求
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【参考文献】
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1 周鹏;刘启斌;隋军;金红光;;化学储氢研究进展[J];化工进展;2014年08期
本文编号：2660491
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