共价有机聚合物及衍生碳载金属纳米粒子催化氨硼烷醇解

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氢能因高的能量密度和唯一的副产物水被认为是一种理想的化石燃料的替代能源。大力发展氢能源既有利于经济的增长,也符合可持续发展的目标。目前制约氢经济发展的最大问题是氢气的储存和运输问题。氨硼烷(AB)拥有高达19.6wt%的质量储氢密度,室温下安全稳定,易于储存和运输,是一种极具应用潜力的化学储氢材料。氨硼烷的醇解具有产氢纯度高、易于实现循环和适用温度范围广等优点,被认为是一种理想的释氢方式。针对氨硼烷醇解催化剂活性偏低和循环稳定性差的问题,本文以高含氮的共价有机聚合物(COPs)及其衍生的碳材料为载体,制备了一系列的负载型和限域型金属纳米粒子催化剂。研究了载体结构和化学组成、催化剂制备条件对金属纳米粒子粒径和氨硼烷产氢速率的影响,具体研究内容如下。(1)采用M-N配位还原策略制备了共价有机多孔聚合物(PC-COP)限域的Rh纳米粒子催化剂。通过FT-IR和XPS表征证明了Rh前驱体与PC-COP的氮物种之间以Rh-Nx配位形式存在,这种配位结构有助于提高金属纳米粒子的分散度,降低金属纳米粒子的粒径,抑制金属纳米粒子聚集。将该催化剂用于氨硼烷的醇解反应,考察了催化剂制备条件和醇解反应条件对产氢速率的影响。结果表明溶剂极性和负载量影响金属纳米粒子的尺寸。当甲醇与二氯甲烷体积比为2:1时,所得Rh纳米粒子的粒径最小,仅为2.0 nm。随金属负载量的增大,金属纳米粒子粒径增大。载体相同的条件下,催化剂的活性仅与金属纳米粒子的粒径有关。1.91wt%负载量的Rh/PC-COP催化剂对氨硼烷的醇解展现了最高的催化活性,TOF值可以达到505 min-1。(2)二维(2D)的多孔芳香骨架(PAFs)纳米片由于层与层之间的π-π相互作用在合成过程中会自组装形成堆叠式结构,降低了PAFs纳米片的表面利用率,严重限制了PAFs材料的实际应用。垂直方向的2D-2D的多孔芳香骨架-石墨烯基复合材料最大限度的提高了PAFs纳米片的表面利用率,为金属纳米粒子的负载和反应底物的传输提供了大的比表面积和丰富的狭缝孔。首先采用N-Boc保护法制备了单层联苯胺功能化的氧化石墨烯分子支柱,然后通过阶梯式生长策略合成了一种垂直的多孔芳香骨架石墨烯复合材料PAF-GO-V1。其比表面积大于平行结构的复合材料PAF-GO-P,是其构成部分PAFs和GO的4倍。以该复合材料为载体通过超声浸渍还原法制备了限域型Co/PAF-GO-V1催化剂,TEM表征表明所制备的Co/PAF-GO-V1催化剂中Co纳米粒子的平均粒径只有1.4 nm,小于Co/GO、Co/BZ-PAF,以及无载体的Co纳米粒子。使用该催化剂催化氨硼烷的醇解反应,考察了比表面积和纳米粒子粒径对氨硼烷醇解性能的影响,结果表明大的比表面积和孔体积对于金属纳米粒子的限域和分散具有重要的作用,载体中丰富的氮为金属纳米粒子提供了足够的锚定位点,氮与金属之间的电子转移以及相互作用对氨硼烷的分解具有积极的促进作用。Co/PAF-GO-V1表现出了最高的催化活性,其TOF值可以达到47.6 min-1。另外我们首次通过同位素实验证实甲醇中O-H键的断裂是氨硼烷醇解反应的决速步骤。(3)采用溶剂热法制备了一种新的球状卟啉框架材料(BPDA-POF),以此为自模板经热解制备了一系列氮掺杂的多孔碳球(POF-NCT,T为热解温度)。然后通过超声浸渍还原法成功地将Ru纳米粒子限域在氮掺杂碳球的孔道中。重构切片层析TEM表征证实,平均尺寸为3.2 nm的Ru纳米粒子成功限域在POF-NC600的孔隙中。孔隙的限域效应可以有效地阻止Ru纳米粒子的聚集和流失。使用该催化剂催化氨硼烷的醇解反应,考察了Ru@POF-NCT中氮物种对金属纳米粒子粒径和氨硼烷醇解产氢速率的影响。结果表明,POF-NCT中吡啶氮的锚定作用可以提高Ru纳米粒子的分散性,降低金属纳米粒子的尺寸,提高的催化剂的活性。(4)中空结构的氮掺杂碳材料具有超低的密度,高的比表面积和孔体积,良好的底物可接近性,以及丰富的氮位点,特别适宜作为载体稳定金属纳米粒子。以Si O2纳米球为硬模板,通过溶剂热法将卟啉框架(POFs)材料包覆在Si O2纳米球表面,然后经惰性气氛热解、碱刻蚀制备了一种氮掺杂的中空碳纳米球HNCS。研究了热解温度对中空氮掺杂碳纳米球物理性能的影响,结果表明HNCS800展现了稳定的中空结构,最大的比表面积和孔体积,以及最多的缺陷位点。以该中空碳纳米球为载体,通过超声浸渍还原法制备了负载型的Co纳米粒子催化剂Co/HNCS800。其中Co纳米粒子的平均粒径只有2.5 nm,远小于无载体的Co纳米粒子。将该催化剂用于氨硼烷的醇解产氢,其TOF值可以达到57.9 min-1。这种超高的催化活性可以归因于载体大的比表面积、超细的金属纳米粒子,以及氮与金属之间的电子转移。
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