含Co或Ni的双金属及三金属纳米颗粒制备方法及其催化制氢性能

常见的氢气储存方法有液态储氢、高压气态储氢、有机化合物储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢及液相化学储氢材料储氢等,其中液相化学储氢材料由于具有含氢量高、且可按时即需释放氢气的优点,引起了研究人员的广泛关注;选择合适的催化剂催化液相储氢材料制氢已成为一个研究热点。含有Co或Ni的双金属或三金属纳米颗粒是一种极具应用前景的催化剂,具有价格低廉、储量丰富和催化性能优异等众多优点。本文综述了含Co或Ni的双金属或三金属纳米颗粒的制备方法及其催化制氢性能,并提出了其目前研究中存在的问题和未来潜在的发展方向。     

Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒的制备及催化制氢活性

采用化学共还原方法制备了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)保护的Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒,对所合成的纳米颗粒进行了表征,研究了三金属纳米颗粒的化学组成对其催化NaBH4制氢的影响.研究结果表明,Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒的平均粒径在2 nm左右,Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒催化活性高于Pt,Ni或Fe单金属纳米颗粒和Pt/Ni,Pt/Fe或Ni/Fe双金属纳米颗粒的催化活性,其中Pt10Ni78.75Fe11.25三金属纳米颗粒的催化活性最高,30℃时,其催化活性可达63.920×103molH2/(molPt·h).Pt/Ni/Fe三金属纳米溶胶催化剂具有很好的催化稳定性,10次重复催化实验后,该催化剂依然可以保持较高的催化活性.该三金属纳米溶胶催化NaBH4水解反应的活化能为52 kJ/mol.     

含金金属纳米颗粒用于液相化学氢化物催化制氢

液相化学氢化物以化学键的形式储存氢能,被认为是一类很有前景的化学储氢材料。液相化学氢化物的大规模应用很大程度上依赖于高效催化系统的开发。含金金属纳米颗粒在用于液相化学氢化物催化制氢中表现出优异的催化性能。本文综述了金纳米颗粒和含金异金属纳米颗粒用于液相氢化物催化制氢的最新研究进展。     

含金金属纳米颗粒用于液相化学氢化物催化制氢（英文）

液相化学氢化物以化学键的形式储存氢能,被认为是一类很有前景的化学储氢材料.液相化学氢化物的大规模应用很大程度上依赖于高效催化系统的开发.含金金属纳米颗粒在用于液相化学氢化物催化制氢中表现出优异的催化性能.本文综述了金纳米颗粒和含金异金属纳米颗粒用于液相氢化物催化制氢的最新研究进展.     

Pd/Co双金属纳米颗粒的制备及催化制氢性能

采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)保护的化学共还原法制备了Pd/Co双金属纳米颗粒, 研究了PVP及还原剂(NaBH₄)的用量、金属盐浓度、金属比例等对Pd/Co双金属纳米颗粒催化NaBH₄制氢性能的影响. 透射电子显微镜(TEM)的结果表明, 所制备的Pd/Co双金属纳米颗粒的平均粒径在1.5-2.8 nm之间. Pd/Co双金属纳米颗粒(BNPs)的催化活性远高于Pd与Co单金属纳米颗粒的活性; 当Pd/Co的理论原子比为1/9时, 双金属纳米颗粒的催化活性最高可达15570 mol·mol^-1·h^-1 (文中纳米颗粒的催化活性均为每摩尔Pd的活性). 密度泛函理论(DFT)的计算结果表明, Pd原子与Co原子之间发生电荷转移, 使得Pd原子带负电而Co原子带正电, 荷电的Pd和Co原子进而成为催化反应的活性中心. 所制备的Pd/Co双金属纳米颗粒具有很好的催化耐久性, 即使重复使用5次后, 该催化剂仍具有较高的催化活性, 且使用后的纳米颗粒催化剂也没有出现团聚现象. 双金属纳米颗粒催化NaBH₄水解反应的活化能约为54 kJ·mol^-1.     

石墨烯负载Pt/Co双金属纳米颗粒催化剂的制备及催化制氢性能

采用化学共还原方法制备了石墨烯负载Pt/Co双金属纳米颗粒（GBNPS）催化剂,并将其用于催化硼氢化钾（KBH₄）水解制氢.采用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）仪和X射线光电子能谱（XPS）表征了该催化剂,并研究了双金属纳米颗粒的化学组成对其催化KBH₄水解制氢性能的影响.结果表明,制备的石墨烯负载Pt/Co双金属纳米颗粒平均粒径为3.2~3.9 nm,其中石墨烯负载Pt₂₀Co₈₀双金属纳米颗粒的催化活性最高,35℃时制氢活性可达35973 mol_H2·h^-1·mol^-1_Pt,且具有良好的耐久性,催化KBH₄水解反应的表观活化能为36 kJ/mol.     

花球状镁铝复合氧化物负载Ni⁃Co催化剂的合成及正十二烷水蒸气重整制氢

采用水热晶化的方法制备了花球状镁铝层状水滑石材料,经过高温焙烧和氢气还原成功制备了镁铝复合氧化物负载的Ni?Co合金催化剂。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮气吸附-脱附测试、粉末X射线衍射、程序升温还原等技术表征了所制备催化剂的物理化学性质,并且测试了所制备催化剂催化正十二烷水蒸气重整制氢性能。实验结果表明:水热晶化后催化剂的前驱体是花球状层状水滑石结构,焙烧后催化剂以复合氧化物的结构存在,且存在非常丰富的介孔和大孔。通过调控Co的加入量,可以调控金属载体相互作用的强度及金属颗粒尺寸。还原后,Ni和Co形成合金且均匀地分布在层状薄片镁铝复合氧化物上面。所制备的催化剂用于正十二烷水蒸气重整制氢,结果显示,相比于Ni单金属催化剂,形成Ni?Co合金的催化剂的活性及产氢率均有较大程度的提升,且抗积碳性能大幅度提高。这归因于Ni?Co协同的合金状态和较小的金属纳米颗粒尺寸。     

石墨烯负载Pt-Pd催化剂的制备、催化制氢性能及机理研究

以氧化石墨烯为载体,采用乙醇共还原法制备了石墨烯负载Pt-Pd双金属纳米催化剂,并将其用于催化碱性硼氢化钾(KBH_4)水解制氢研究.采用X射线衍射(XRD)分析和透射电子显微镜(TEM)等手段表征了催化剂的微观形貌和结构,发现当金属催化剂中Pt/Pd摩尔比为1∶1时,Pt-Pd双金属催化剂颗粒可均匀地负载于石墨烯载体表面,而且粒径比单金属催化剂和其它组成的双金属催化剂粒径更小,约为5.6 nm.将该催化剂用于催化碱性条件下KBH_4水解制氢实验,结果表明,金属催化剂的化学组成对其催化性能有明显影响,当Pt/Pd摩尔比为1∶1时其催化活性高于其它化学组成(Pt/Pd摩尔比为4∶1或1∶4)的Pt-Pd双金属催化剂,催化活性可达4380 mol_(H2)·mol_M~(-1)·h~(-1),比Pt单金属催化剂活性提高约52%,为Pd单金属催化剂活性的4倍.通过催化反应动力学研究发现,Pt-Pd双金属催化剂催化KBH_4水解制氢反应的活化能约为20.90k J/mol,催化剂具有较佳的耐久性,连续使用3次后催化效率仍可达首次催化反应效率的83%.利用密度泛函理论研究了催化剂催化KBH_4水解反应的机制,发现双金属纳米催化剂可以明显降低硼氢化物水解反应决速步骤基元反应的势垒,从而显著提高催化剂的催化活性.     

Pt/Ni双金属纳米溶胶的制备及催化制氢性能

采用化学共还原法制备了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的Pt/Ni双金属纳米溶胶.采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、透射电子显微镜(TEM)对所合成的Pt/Ni双金属纳米溶胶进行了表征, 并系统研究了PVP用量、还原剂用量和浓度、双金属比例对该双金属纳米溶胶催化剂催化性能的影响.结果表明, 所制备的双金属纳米溶胶的平均粒径在2.0 nm左右, Pt/Ni双金属纳米溶胶的催化活性比Pt及Ni单金属纳米溶胶的高, 当Pt/Ni摩尔比为1:4时, 纳米溶胶的催化活性最高, 其活性值为16640 mol_H2·mol_Pt^-1·h^-1.所制备的Pt/Ni双金属纳米溶胶催化剂具有很好的耐久性, 5次催化实验后该催化剂仍保持较高的催化活性.该双金属纳米溶胶催化NaBH₄水解反应的活化能为48 kJ/mol.     

化学共还原法制备Mo/Ni双金属纳米颗粒及其催化制氢性能研究

采用化学共还原方法,以ISOBAM-104作为保护剂制备了Mo/Ni双金属纳米颗粒,并研究了ISOBAM-104用量、还原过程中KBH_4用量、金属离子浓度等对其催化KBH_4制氢性能的影响.结果表明:R_(ISO)=40 (R_(ISO)为ISOBAM-104与金属盐的物质的量的比),R_(KBH_4)=5 (R_(KBH_4)为KBH_4与金属盐离子的物质的量的比),金属离子的浓度为2 mmol·L~(-1)时,Mo_(10)Ni_(90)的催化制氢效果最好.在303 K的条件下,Mo_(10)Ni_(90)的催化活性达1 134 mol-H_2·mol-cat~(-1)·h~(-1),其催化KBH_4水解反应的活化能为39.84 kJ/mol.同时Mo/Ni双金属催化剂具有良好的耐久性,在九次重复试验后,其催化性能无明显降低.     

Rh/Co双金属纳米颗粒的制备及其催化制氢性能

以ISOBAM-104为保护剂,采用共还原法制备了一系列不同组成的Rh/Co双金属纳米颗粒(BNPs)。采用紫外-可见吸收光谱、透射电镜及高分辨透射电镜对纳米颗粒的结构及组成进行了表征。结果表明,所制备的Rh/Co BNPs的粒径小于6.0nm,具有合金结构。催化制氢实验结果表明,Rh_(20)Co_(80)BNPs具有最高的催化制氢活性,其TOF值可高达12880mol-H_2·h~(-1)·mol-Rh~(-1),远高于Rh和Co单金属纳米颗粒的催化活性。     

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成

醇类化合物的选择性氧化是实验室和工业应用中一类重要的官能团转化反应.以分子氧为氧化剂,在液相无溶剂条件下温和氧化符合绿色化学的要求.负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.但是,单金属Pd催化剂对反应目标产物醛类化合物的选择性还有待提高.例如,在苯甲醇液相无溶剂氧化中,甲苯是在单金属Pd催化剂上的主要副产物.针对这一问题,除了对载体进行改性和修饰外,开发双金属Pd基催化剂也是一种有效的选择性调控策略.虽然已有的Pd-Au双金属催化剂可以在一定程度上降低甲苯的选择性,但是在较高温度和较高转化率下仍然难以控制甲苯的大量生成.本文采用固相合金化法合成了负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒.该方法首先以硝酸镍为镍的前驱体浸渍介孔二氧化硅,然后负载钯纳米颗粒.在高温固相还原条件下,作为种子的钯纳米颗粒和镍通过原子迁移和生长,形成Pd-Ni双金属纳米颗粒.扫描透射电镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征证实了Pd-Ni双金属纳米颗粒的生成.上述催化剂用于苯甲醇液相无溶剂氧化,催化结果显示Ni的加入可以抑制副产物甲苯的生成,并且随Ni负载量增加,甲苯的选择性(在80%等转化率下)由22.6%(单金属Pd)降低至1.6%(双金属Pd1Ni20).尽管Ni的加入降低了单金属Pd的活性,但是由于提高了目标产物苯甲醛的选择性,醛的最终产率得到提升.进一步催化研究表明,Ni的加入可以抑制无氧氛围下甲苯的生成,说明Ni可以抑制歧化反应和降低表面氢浓度.这种作用可归结于Pd-Ni双金属的协同效应.该效应得到了CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱和密度泛函理论研究的证实.双金属的几何效应和电子效应均减弱了苯甲醇在双金属纳米颗粒表面的解离吸附和相互作用,导致苯甲醇的吸附减弱,同时C–O键断裂不易进行.另外,由于Ni的亲氧性,双金属纳米颗粒表面有利于氧的吸附,降低吸附氢的浓度,减少C–H键生成,从而抑制甲苯的生成.     

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成（英文）

醇类化合物的选择性氧化是实验室和工业应用中一类重要的官能团转化反应.以分子氧为氧化剂,在液相无溶剂条件下温和氧化符合绿色化学的要求.负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.但是,单金属Pd催化剂对反应目标产物醛类化合物的选择性还有待提高.例如,在苯甲醇液相无溶剂氧化中,甲苯是在单金属Pd催化剂上的主要副产物.针对这一问题,除了对载体进行改性和修饰外,开发双金属Pd基催化剂也是一种有效的选择性调控策略.虽然已有的Pd-Au双金属催化剂可以在一定程度上降低甲苯的选择性,但是在较高温度和较高转化率下仍然难以控制甲苯的大量生成.本文采用固相合金化法合成了负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒.该方法首先以硝酸镍为镍的前驱体浸渍介孔二氧化硅,然后负载钯纳米颗粒.在高温固相还原条件下,作为种子的钯纳米颗粒和镍通过原子迁移和生长,形成Pd-Ni双金属纳米颗粒.扫描透射电镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征证实了Pd-Ni双金属纳米颗粒的生成.上述催化剂用于苯甲醇液相无溶剂氧化,催化结果显示Ni的加入可以抑制副产物甲苯的生成,并且随Ni负载量增加,甲苯的选择性(在80%等转化率下)由22.6%(单金属Pd)降低至1.6%(双金属Pd1Ni20).尽管Ni的加入降低了单金属Pd的活性,但是由于提高了目标产物苯甲醛的选择性,醛的最终产率得到提升.进一步催化研究表明,Ni的加入可以抑制无氧氛围下甲苯的生成,说明Ni可以抑制歧化反应和降低表面氢浓度.这种作用可归结于Pd-Ni双金属的协同效应.该效应得到了CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱和密度泛函理论研究的证实.双金属的几何效应和电子效应均减弱了苯甲醇在双金属纳米颗粒表面的解离吸附和相互作用,导致苯甲醇的吸附减弱,同时C–O键断裂不易进行.另外,由于Ni的亲氧性,双金属纳米颗粒表面有利于氧的吸附,降低吸附氢的浓度,减少C–H键生成,从而抑制甲苯的生成.     

第二金属对Co/SiO_2加氢催化剂结构和性能的影响(英文)

通过考察Co/SiO2催化剂中活性组分的结构变化及其催化乳酸酯液相氢化反应结果,来研究第二金属添加物对催化剂结构及其催化性能的影响.结果表明,随着金属添加物的加入双金属催化剂中金属Co的表面电子性质以及分散度不断变化,而Co物种颗粒粒径不断减小,因此Co物种和载体SiO2间相互作用不断增强,从而降低Co还原度.乳酸酯氢化反应结果表明,催化剂中活性组分的颗粒大小及其比表面积以及Co物种的还原度和分散度均影响其氢化反应的活性.     

第二金属对Co/SiO2加氢催化剂结构和性能的影响（英文）

通过考察Co/SiO2催化剂中活性组分的结构变化及其催化乳酸酯液相氢化反应结果,来研究第二金属添加物对催化剂结构及其催化性能的影响.结果表明,随着金属添加物的加入双金属催化剂中金属Co的表面电子性质以及分散度不断变化,而Co物种颗粒粒径不断减小,因此Co物种和载体SiO2间相互作用不断增强,从而降低Co还原度.乳酸酯氢化反应结果表明,催化剂中活性组分的颗粒大小及其比表面积以及Co物种的还原度和分散度均影响其氢化反应的活性.     

双金属纳米材料与催化

双金属纳米材料作为工业上少见的一类催化剂材料,在合成过程中可通过对其组成、结构晶粒大小尺寸的调控,实现其催化性能的合理调控,因此,近年来备受催化材料化学领域科技工作者的广泛关注.随着纳米材料调控合成方面的技术进步,具有均一小尺寸可控结构的纳米材料对于制备高效催化剂材料和研究催化反应机理具有重要的意义.结合纳米技术探索开发设计新型的双金属纳米催化剂材料颇具挑战性.本文围绕双金属纳米催化剂的合成、结构及其相关催化性能,从不同的双金属纳米催化剂出发,对催化剂的性能提高、催化机理研究的若干问题和分析手段及方法在催化研究中的进展发表一点初浅认识.     

铜纳米粒子负载于钴纳米片的双金属催化剂催化CO选择性加氢

使用赖氨酸作为表面活性剂模板, 合成了Cu纳米粒子负载于Co纳米片的双金属催化剂Cu/Co. 与常规的Cu-Co双金属纳米颗粒催化剂相比, Cu/Co催化剂对CO选择性加氢反应表现出特殊的结构效应, 提高了CO转化率和高级醇选择性, 降低了甲烷选择性. Cu/Co催化剂中, Cu(111)面与Co(100)面相互作用的功能化界面有利于深入研究金属-金属的相互作用. 这种双金属催化剂可以将模型催化剂和现实催化应用联系起来, 将有助于获得对合成气转化制高级醇反应机理的本质认识.     

金属离子修饰的Ru-Pt/γ-Al2O3催化p-CNB选择性加氢

催化还原法制备卤代苯胺因具有产品质量好、收率高和三废少等优点而日益受到重视．近年来,研究较多的是高分子化合物稳定的Pt,Pd,Ru单金属或双金属胶体催化剂以及负载型单金属或双金属催化剂．用第三金属组分修饰的胶体催化剂的催化性能更好,但反应后催化剂与产物分离     

具有高效析氧催化性能的铁基双元金属有机框架纳米棒研究（英文）

析氧反应(OER)是电解水制氢的关键步骤,开发高效、稳定、廉价的OER电催化剂是目前该领域的研究热点.碱性电解液中的OER电催化剂成分以Mn、Fe、Co、Ni等为主,其中单一组分的Fe基化合物催化活性不高,但碱性电解液中的痕量铁杂质极易掺入Ni、Co等非Fe基材料的结构中,极大影响其OER催化性能,即现有大部分非Fe基化合物无法回避Fe的影响.为探究Fe基多金属电催化剂的活性规律,本文以结构清晰、组分可控的Fe基金属有机框架材料为基底,通过掺入Mn、Co、Ni等元素构建双元金属化合物Fe_2M-MIL-88B(M=Mn, Co, Ni),并围绕上述Fe基双金属电催化剂的构效关系展开研究.扫描电镜、透射电镜、X射线衍射光谱、红外光谱等表征结果表明,所制备的Fe基双金属材料均为具有MIL-88B构型的纳米棒,其特征三核金属簇Fe_3O中的一个铁原子被第二元金属所替代,从而形成相应的三核混合金属簇Fe_2MO.上述Fe基双金属催化剂的析氧催化活性顺序为:Fe_2Ni Fe_2Co Fe_2Mn Fe (0.1 M KOH电解液).其中, Fe_2Ni-MIL-88B电催化剂在10 mA cm~(2-)析氧电流对应的过电位仅需307 mV,明显低于OER基准电催化剂20 wt%Ir/C(376 mV).结合材料的元素组成、电化学活性比表面积(ECSA)及金属价态分析发现,第二元金属的引入会在不同程度上降低Fe的价态,其中Ni的影响程度最大, Co次之, Mn的影响最小.借助分子轨道理论对上述实验现象进行了解释.处于低自旋态的Ni~(2+)与邻近桥氧O~(2-)之间存在电子排斥作用,因此部分电子将从Ni~(2+)经O~(2-)转移至高自旋态的Fe3+,从而在Ni2+和Fe3+之间形成了较强的电子耦合作用.Co~(2+)具有和Ni~(2+)相似的构型,但影响稍小.而Mn~(2+)和Fe~(3+)同为高自旋态,对Fe~(3+)的电子结构影响最小,导致活性改善程度最低.密度泛函理论计算得到的自旋态变化情况印证了上述推测.该系列Fe基双金属材料的催化性能主要受金属活性位点的电子结构影响, Fe与邻近金属间形成的电子耦合作用修饰了金属活性位点的电子结构,从而提高了材料的OER本征催化活性.     

氨硼烷催化水解制氢

氢气作为全球公认的清洁能源载体,备受关注。寻找安全高效的储氢材料以转型到氢能社会是当前氢能应用面临最大的挑战之一。氨硼烷(NH₃BH₃,AB)具有非常高的储氢质量分数(19.6 wt%)和体积储氢密度(0.145 kgH₂/L),因其在储氢和放氢性能方面的显著优势,被认为是一种颇具应用潜力的化学储氢材料。氨硼烷能够通过热解、醇解和水解放出氢气。其中,氨硼烷水解制氢可以通过催化剂进行可控放氢,且具有反应条件温和、不产生CO(易使催化剂中毒)等优点,被认为是一种安全高效和实用性强的制氢技术。本文简要介绍了氨硼烷的性质和合成,阐述了氨硼烷水解制氢的机理,综述了近年来氨硼烷水解制氢催化剂的研究进展,分析了碱对氨硼烷水解制氢的促进作用,并讨论了水解产物回收利用问题。