水合肼制氢用镍铁纳米催化剂的合成及其性能研究

来源 :江西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangyang2005
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氢能被誉为未来最具发展前景的理想能源载体,其具有能量密度高、环境友好等优点,但氢气的安全存储和运输仍然是氢能大规模应用的瓶颈。因此,迫切需要寻找一种安全稳定的化学储氢材料,以在温和的条件下便捷地储存及释放氢气。水合肼(N2H4·H2O),由于具有含氢量高(8.0 wt%)、毒性低、性质稳定且易于运输等特点,被视为是一种理想的液相化学储氢材料。在合适的催化剂作用下,N2H4·H2O完全分解的产物只有氢气和氮气,没有其它固态副产物。因而N2H4·H2O制氢受到了研究者的广泛关注。到目前为止,镍基贵金属催化剂被广泛用于N2H4·H2O的脱氢反应,但是贵金属存在资源稀缺、价格昂贵等问题,不利于它们的实际应用。而非贵金属催化剂普遍存在催化活性较低,且H2选择性仍有待进一步提高等问题。因此,本论文的关键和挑战在于发展高活性、高选择性和高稳定性的非贵金属催化剂以实现N2H4·H2O的完全脱氢。论文的研究内容主要包括以下两个方面:(1)我们在无表面活性剂或载体的条件下,通过一步共还原法快速合成了一系列由稀土氢氧化物掺杂的NiFe-La(OH)3纳米复合催化剂。研究表明,La(OH)3的引入,有效降低了NiFe纳米粒子的粒子尺寸和结晶度。在343 K碱性条件下,所合成的Ni0.88Fe0.12-La(OH)3纳米催化剂具有出色的催化活性、100%的H2选择性以及良好的循环稳定性。其优异的性能可以归因于NiFe纳米粒子与La(OH)3之间的协同电子效应,以及由于添加La(OH)3而形成的超细和低结晶度的NiFe纳米粒子。此外,动力学研究表明,相对于催化剂和初始N2H4浓度,分解反应分别是一级反应和零级反应。(2)为进一步稳定NiFe纳米粒子,并提高非贵金属催化剂的活性,我们设计合成了纳米CeZrO2固溶体并用作载体,然后,采用浸渍-还原法在不添加表面活性剂的情况下将NiFe纳米粒子负载在CeZrO2固溶体上(表示为NiFe/CeZrO2)。研究发现,纳米CeZrO2固溶体不仅可以防止NiFe纳米粒子的聚集,还能有效改善金属纳米粒子的电子结构,从而提高催化剂的催化活性。在343 K碱性条件下,所制备的Ni0.8Fe0.2/Ce0.9Zr0.1O2催化剂催化N2H4·H2O分解制氢的H2选择性达到100%,周转频率(TOF)值为119.2 h-1,其活性优于大多数已报道的非贵金属催化剂。此外,该催化剂也具有良好的循环稳定性,在连续反应5次后,仍具有100%的H2选择性。
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