纳米晶态硼化钴的合成及其催化氨硼烷高效制氢

采用简单的煅烧工艺合成了纳米硼化钴(CoB)晶体,并首次研究了纳米CoB晶体在氨硼烷溶液水解制氢过程中的催化活性。研究发现,纳米CoB晶体具有较高的催化活性,在室温条件下其转换频率(TOF)为35.3mol_H2·mol_cat^-1·min^-1,优于同等条件下贵金属Pt催化剂(TOF=29.3mol_H2·mol_cat^-1·min^-1)。此外,循环测试8次后纳米硼化物晶体的催化制氢性能没有发生衰减。进一步研究发现CoB表面的Co⁰物种是催化制氢的活性位点,而表面的B物种位点能够有效辅助Co⁰位点实现协同催化氨硼烷制氢。     

原位生成非晶纳米钴高效催化氨硼烷的醇解制氢

用金属钴配合物和过渡金属(Cu,Ni,Co等)原位生成的非晶纳米粒子作为均相、多相催化剂,研究氨硼烷的醇解放氢反应,结果发现原位生成的非晶钴纳米粒子展现出优异的产氢性能。通过10次的催化循环测试,钴纳米粒子放氢催化转换数(TON)可达6 000,最高催化产氢速率(TOF)达515 mol_(H_2)·mol_(metal)~(-1)·h~(-1)。该催化剂制备方便,且产氢稳定性好。此外,对钴纳米粒子催化氨硼烷放氢实验做动力学研究,计算其催化活化能为20.00 kJ·mol~(-1),低于大多数已经报道的其他纳米催化剂催化氨硼烷放氢反应的活化能。通过硼谱的跟踪检测,发现钴纳米催化氨硼烷的醇解反应产物是硼酸三甲酯,并对此催化反应机理进行了初步的解释和讨论。     

原位合成钴/还原氧化石墨烯纳米粒子催化氨硼烷制氢

采用简单的原位还原合成方法,利用具有温和还原性能的氨硼烷作为还原剂,在室温下一步还原氧化石墨烯和氯化钴混合溶液制备了还原氧化石墨烯负载钴纳米复合材料催化剂. 利用所制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂催化氨硼烷水解制氢,发现钴/还原氧化石墨烯具有优异的催化性能. 相对于没有负载的钴纳米粒子以及采用硼氢化钠作为还原剂制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂,采用氨硼烷还原制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂表现出更加优越的催化性能. 动力学测试表明,钴/还原氧化石墨烯催化氨硼烷水解反应为零级反应,同时钴/还原氧化石墨烯催化剂催化氨硼烷水解反应的活化能为27.10 kJ·mol^-1,低于大部分已报道的其它催化剂,甚至一些贵金属催化剂的活化能. 钴/还原氧化石墨烯催化剂有着稳定的循环使用性,特别是其具有的磁性使得它能够直接从溶液中通过磁力回收,极具应用前景. 这种简单有效的合成方法有望推广到其它的金属-还原氧化石墨烯纳米复合材料体系.     

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。     

催化氨硼烷水解制氢研究进展

当前,世界范围内的能源利用面临着巨大的挑战,开发绿色洁净能源十分重要。通过水解氨硼烷制备清洁可再生的氢气是解决能源问题的有效途径之一。选择合适的催化剂有效提高制氢效率是氨硼烷水解制氢的关键,开发高效安全的催化剂一直是该领域研究的重点和热点。本文从影响氨硼烷水解制氢反应中催化剂催化性能的因素出发,综述了活性金属组分和载体在催化剂制备过程中以及催化氨硼烷制氢反应中的作用。最后,对催化氨硼烷水解制氢过程所存在的问题以及今后的发展进行了总结和展望。     

均相钴催化氨硼烷的脱氢及转移氢化反应的研究进展

作为理想的化学储氢材料,氨硼烷的高效脱氢和转移氢化的研究已经引起了越来越多的重视.由于丰产金属具有价廉易得和生物兼容性好等优势,丰产金属均相催化氨基硼烷的脱氢及相关转化,是该领域的重要发展方向.主要综述了代表性的均相丰产金属钴络合物催化的氨基硼烷的脱氢和转移氢化的研究进展.     

多孔碳负载镍纳米颗粒的制备及催化氨硼烷水解制氢

合成了蜂窝状的分级多孔碳,并以多孔碳为载体通过浸渍-化学还原法制备碳载镍(Ni/C)作为催化氨硼烷水解制氢的催化剂。采用XRD、BET、SEM、Raman、TEM等手段对样品进行了表征并研究了Ni/C室温催化性能。结果显示,多孔碳比表面积高达737 m²·g^-1,具有部分石墨化结构;负载的非晶态镍纳米颗粒平均粒径约为10 nm,均匀分布在碳基材。碳载镍对氨硼烷水解反应具有良好的催化活性,镍负载量为30wt%时催化性能最佳,298 K温度下放氢速率达到1 304.67 mL·min^-1·g^-1,活化能为29.1 kJ·mol^-1,并且具备一定的催化稳定性,表明Ni/C可作为一种廉价高效的催化剂应用于催化氨硼烷水解制氢。     

多孔碳负载镍纳米颗粒的制备及催化氨硼烷水解制氢

合成了蜂窝状的分级多孔碳,并以多孔碳为载体通过浸渍-化学还原法制备碳载镍(Ni/C)作为催化氨硼烷水解制氢的催化剂。采用XRD、BET、SEM、Raman、TEM等手段对样品进行了表征并研究了Ni/C室温催化性能。结果显示,多孔碳比表面积高达737 m2·g-1,具有部分石墨化结构;负载的非晶态镍纳米颗粒平均粒径约为10 nm,均匀分布在碳基材。碳载镍对氨硼烷水解反应具有良好的催化活性,镍负载量为30wt%时催化性能最佳,298 K温度下放氢速率达到1 304.67 m L·min-1·g-1,活化能为29.1 k J·mol-1,并且具备一定的催化稳定性,表明Ni/C可作为一种廉价高效的催化剂应用于催化氨硼烷水解制氢。     

Ru/Ce(OH)CO3纳米复合材料催化氨硼烷水解产氢

采用一种简单的方法快速合成了Ru/Ce（OH）CO₃纳米复合材料。基于TG,XRD,TEM,EDX,XPS和ICP等方法详细表征了所制备的催化剂,并用于催化氨硼烷水解制氢。表征结果表明尺寸大约为4.8 nm的Ru纳米粒子高度分散在Ce（OH）CO₃纳米棒上。该催化剂对于氨硼烷水解制氢表现出优异的催化性能,在室温下其转化频率（TOF）达到389.6 mol_H2·mol_Ru^-1·min^-1。而且该催化剂循环使用11次之后依然能够对氨硼烷催化产氢保持很高的活性。     

Ru/Ce(OH)CO3纳米复合材料催化氨硼烷水解产氢

采用一种简单的方法快速合成了Ru/Ce（OH）CO₃纳米复合材料。基于TG,XRD,TEM,EDX,XPS和ICP等方法详细表征了所制备的催化剂,并用于催化氨硼烷水解制氢。表征结果表明尺寸大约为4.8 nm的Ru纳米粒子高度分散在Ce（OH）CO₃纳米棒上。该催化剂对于氨硼烷水解制氢表现出优异的催化性能,在室温下其转化频率（TOF）达到389.6 mol_H2·mol_Ru^-1·min^-1。而且该催化剂循环使用11次之后依然能够对氨硼烷催化产氢保持很高的活性。     

Electrons and Hydroxyl Radicals Synergistically Boost the Catalytic Hydrogen Evolution from Ammonia Borane over Single Nickel Phosphides under Visible Light Irradiation

From the perspective of tailoring the reaction pathways of photogenerated charge carriers and intermediates to remarkably enhance the solar-to-hydrogen energy conversion efficiency, we synthesized the three low-cost semiconducting nickel phosphides Ni₂P, Ni₁₂P₅ and Ni₃P, which singly catalyzed the hydrogen evolution from ammonia borane (NH₃BH₃) in the alkaline aqueous solution under visible light irradiation at 298 K. The systematic investigations showed that all the catalysts had higher activities under visible light irradiation than in the dark and Ni₂P had the highest photocatalytic activity with the initial turnover frequency (TOF) value of 82.7 min⁻¹, which exceeded the values of reported metal phosphides at 298 K. The enhanced activities of nickel phosphides were attributed to the visible-light-driven synergistic effect of photogenerated electrons (e⁻) and hydroxyl radicals (^.OH), which came from the oxidation of hydroxide anions by photogenerated holes. This was verified by the fluorescent spectra and the capture experiments of photogenerated electrons and holes as well as hydroxyl radicals in the catalytic hydrogen evolution process.     

CuCo/BNNSs纳米催化剂对固态储氢材料氨硼烷水解的催化性能

采用共还原法将CuCo双金属负载到通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)辅助离子插层法制备的少层氮化硼纳米片(BNNSs)上,获得了平均粒径为2.7 nm且高度分散的铜钴/氮化硼纳米片(CuCo/BNNSs)纳米催化剂。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM)对载体及催化剂的结构及形貌进行表征,并研究了CuCo/BNNSs的催化性能。研究发现,由于Cu、Co、BNNSs和OH-之间高效的四重效应协同使得Cu0.5Co0.5/BNNSs纳米催化剂在室温、pH=14条件下对氨硼烷(AB,NH3BH3)水解释氢具有极高的催化活性。转化频率(TOF)值达到104.52 molH2·molmetal^-1·min^-1,且CuCo/BNNSs纳米催化剂具有良好的稳定性,6次循环利用后仍保持较高催化活性。     

Theoretical Study of Hydrogen Production from Ammonia Borane Catalyzed by Metal and Non-Metal Diatom-Doped Cobalt Phosphide

The decomposition of ammonia borane (NH₃BH₃) to produce hydrogen has developed a promising technology to alleviate the energy crisis. In this paper, metal and non-metal diatom-doped CoP as catalyst was applied to study hydrogen evolution from NH₃BH₃ by density functional theory (DFT) calculations. Herein, five catalysts were investigated in detail: pristine CoP, Ni- and N-doped CoP (CoP_Ni-N), Ga- and N-doped CoP (CoP_Ga-N), Ni- and S-doped CoP (CoP_Ni-S), and Zn- and S-doped CoP (CoP_Zn-S). Firstly, the stable adsorption structure and adsorption energy of NH₃BH₃ on each catalytic slab were obtained. Additionally, the charge density differences (CDD) between NH₃BH₃ and the five different catalysts were calculated, which revealed the interaction between the NH₃BH₃ and the catalytic slab. Then, four different reaction pathways were designed for the five catalysts to discuss the catalytic mechanism of hydrogen evolution. By calculating the activation energies of the control steps of the four reaction pathways, the optimal reaction pathways of each catalyst were found. For the five catalysts, the optimal reaction pathways and activation energies are different from each other. Compared with undoped CoP, it can be seen that CoP_Ga-N, CoP_Ni-S, and CoP_Zn-S can better contribute hydrogen evolution from NH₃BH₃. Finally, the band structures and density of states of the five catalysts were obtained, which manifests that CoP_Ga-N, CoP_Ni-S, and CoP_Zn-S have high-achieving catalytic activity and further verifies our conclusions. These results can provide theoretical references for the future study of highly active CoP catalytic materials.     

核壳结构Cu@CoW的合成和对硼氨配合物水解的催化性能

分别以硼氨配合物和硼氢化钠为还原剂合成了核壳结构的Cu@CoW三元合金催化剂和非核壳结构的CuCoW三元合金催化剂,25℃下,Cu_0.4@Co_0.5W_0.1三元合金催化剂对于硼氨配合物水解反应的TOF（转换频率）值达到0.3690mol_H2·mol_cat^-1·s^-1,明显高于非核壳结构的Cu_0.4Co_0.5W_0.1催化剂,接近Pt、Pd等贵金属的催化活性,反应的活化能为49kJ·mol^-1。与非核壳结构的CuCoW合金相比,核壳结构的Cu@CoW三元合金催化剂的催化性能及稳定性均有明显提高。