硼掺杂的铑镍纳米颗粒作为高效的水合肼分解制氢催化剂

随着经济全球化的高速发展,人类对能源的需求达到了一个前所未有的阶段。而传统化石能源正在日益枯竭并导致环境污染日益加重,世界各国都在积极寻求发展可替代的清洁可持续能源。氢能作为一种清洁和来源广泛的新能源,最具有可发展的潜力。在氢能的整个开发环节中,寻找安全、高效的储氢方法是需要迫切解决的技术难题。传统的物理方法面临着储氢密度低的缺点,不利于大规模的使用。而化学储氢方法却能克服这一缺点,并在安全性上有所改善。

水合肼(H2NNH2·H2O),这一工业化生产已有半个多世纪的化合物,因其具有较高的含氢密度(7.9 wt%),超过美国能源部对贮氢材料的最新要求指标 (5.5 wt%),且在常温下为液态,因此被认为是具有车载氢源应用前景的贮氢材料。常温下,在不同催化剂的作用下水合肼分解的途径有两种:H2NNH2·H2O→N2(g)+2H2(g)+ H2O和3H2NNH2·H2O→4NH3(g)+N2(g)+H2(g)。基于制氢的目的,开发合适的催化剂提高制氢的选择性具有重要的意义。

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针对这一问题,北京航空航天大学的张瑜教授课题组开发出了一种硼掺杂的铑镍纳米催化剂。该催化剂的制备非常简单,利用硼氢化钠作为还原金属前躯体的还原剂和掺杂所需要的硼源一步得到,适合大规模的生产制备。在常温下,其对水合肼的催化分解制氢显示出了非常高的活性,完全分解2mmol的水合肼只需要22分钟,比文献报道的同类催化剂快了近7倍。催化产生的气体经过质谱和气相色谱的检测发现H2/N2的比率为2且没有观测到氨分子,证明了催化剂100%的制氢选择性。通过对比实验发现,碱性环境在催化剂合成过程中有利于硼的掺杂,在催化过程中对催化有明显的提升作用。首先,碱能加速去质子化步骤(N2H4→N2H3*+H*),提升反应动力学性能;其次,从化学平衡角度看,碱能抑制氨分子的生成,提高制氢选择性。另外,借助于先进的球差透射电子显微镜观察发现,纳米催化剂的表面存在丰富的缺陷位点,是潜在的活性位点。EELS成像确证了硼元素在纳米颗粒中的均匀分布。

该工作对以水合肼为储氢材料的研究有推动作用,为今后催化剂的设计、制备和表征提供合理的借鉴, 相关研究结果近期发表在Advanced Energy Materials(Adv. Energy Mater.. doi: 10.1002/aenm.201401879)上