Advanced Materials:纳米孔材料负载金属催化剂应用于液相化学储氢材料分解/水解制氢

近年来,人口与经济的快速增长导致了世界范围内对能源的需求不断增加。然而,日益增长的化石燃料消耗导致了二氧化碳等温室气体的大量排放,引发了全球变暖和极端气候变化等诸多问题。因而,开发可再生清洁能源来替代传统化石燃料成为近年来备受关注的重要课题之一。氢气具有较高的能量密度和可再生性,被认为是一种极具前景的绿色能量载体。与其他燃料相比,氢气具有最高的比能量。加之其无污染、高效率等优点,氢燃料电池得到了极高的重视与快速的发展。然而,如何安全高效地储存和释放氢气仍然是未来实现以燃料电池为核心的“氢经济”的瓶颈和挑战。虽然氢气具有很高的质量能量密度,但是气态氢气的体积能量密度却很低。为了提高氢气的体积能量密度,人们开发了一系列物理储氢方法,如压缩法、液化法和固体材料的物理吸附法。然而,这些方法存在能耗高、安全性差及吸附能力低等诸多弊端,这些缺点严重地阻碍了“氢经济”的建立。在所有储氢方法中,以化学键形式储存氢的化学储氢方法具有安全、方便、高效等诸多优点,具有大规模实际应用的潜力。

近些年来,以甲酸、氨硼烷、水合肼、硼氢化钠为代表的液相化学储氢材料引起了学术界和产业界的广泛关注。选取适宜的催化剂,氢气可以在温和的条件下,高选择性且快速地从这些物质的水溶液中释放出来。与其他储氢材料相比,上述液相化学储氢材料具有更高的质量/体积氢密度、更小的潜在风险和更低的投资成本。通常情况下,液相储氢材料的制氢过程在均相催化体系和多相催化体系中均可实现。然而,均相催化体系常常具有反应失活快、催化剂难以分离回收及必须使用有机溶剂等缺点。与之相比,以负载型金属材料为催化剂的多相催化体系可以有效地解决上述弊端,在近些年引起了研究者们极大的兴趣。值得注意的是,当负载型金属催化剂具有较小的金属尺寸时,单位质量的金属颗粒可以暴露出更多的活性位点,进而显著地提升其催化产氢效率。然而,与大尺寸的金属颗粒相比,小尺寸的金属物种具有较高的表面自由能,在反应过程中容易发生聚集,导致催化活性下降。纳米多孔材料具有超大的比表面积以及丰富的纳米孔道结构,被认为是负载超小金属物种的理想载体。近年来,微孔分子筛、金属有机骨架化合物、介孔二氧化硅、多孔炭、多孔有机笼化合物及多孔有机聚合物等纳米多孔材料被广泛地用作载体,限域合成具有超小尺寸的金属纳米粒子、金属团簇甚至金属单原子。这些纳米孔材料负载的金属催化剂在各种液相化学储氢材料的水解或分解过程中均表现出优异的产氢性能和良好的循环稳定性能,极大地推动了液相化学储氢领域的发展。

鉴于此,吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室于吉红院士团队,系统地总结了不同种类的纳米孔材料负载金属催化剂应用于液相化学储氢材料分解/水解制氢的最新研究进展。在综述中,作者详细地介绍了纳米孔材料负载金属催化剂的最新合成策略、先进表征手段及其催化产氢性能。此外,作者在综述中还全面地分析了各种液相制氢系统的优势和局限性,并展望了纳米孔材料负载金属催化剂在未来液相化学储氢研究中所面临的机遇和挑战。该综述为纳米孔材料负载金属催化剂在液相化学储氢中的应用及未来的发展提供了借鉴与参考。相关成果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001818)上。