CN106694008B - 用负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法,属于化学化工技术领域。本发明将制备好的纳米催化剂置于反应器中,将反应器置于油浴中升至一定温度,接着将水合肼和氢氧化钠混合液加入反应器中进行反应,生成的氢气采用排水法收集。所述纳米催化剂按下述步骤合成:a)将硝酸铈和三聚氰胺溶液按照一定质量比溶解混合;b)将上述混合溶液搅拌至干燥,转移至管式炉焙烧得到CeO2@C3N4载体;c)将焙烧所得CeO2@C3N4载体置于一定摩尔比的Rh、Ni溶液中,充分搅拌后,向混合液中添加还原剂,经过滤、干燥后制得。该负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂具有较高的活性和选择性。使用该催化剂进行水合肼脱氢反应,脱氢转化率和选择性均为100%,反应的TOF值大于450h‑1。
Description
技术领域
本发明属于化学化工技术领域,具体涉及一种用负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法。
背景技术
氢能被认为是推进21世纪能源革命的新能源,其可以作为燃料直接驱动汽车及其他交通工具等,同时还可以被用于氢燃料电池来提供能量,上述过程均为清洁环保过程,是当前国家大力支持和发展的清洁能源方向,但是由于氢气密度小、危险性高,如何实现氢气的高效储存是制约当前氢气大规模使用的关键。
水合肼,一种新型的储氢材料,因其具有储氢量大,运输安全,使用方便等优点而被广泛研究。开发高效的水合肼脱氢催化剂对氢气的利用至关重要。
当前,合成高效稳定的催化剂是实现水合肼作为储氢材料走向实际应用的关键。2010年徐强等人成功合成了镍-铱双金属催化剂,该催化剂在室温下可对水合肼脱氢反应表现出优异的催化活性,且氢气的选择性达100%。2014年何磊对氧化铝负载铂的催化剂进行镍改性,有效的提高了反应的转化频率(TOF),但也只达到了16.5h-1,进一步提高催化剂的反应转化频率(TOF)对于水合肼的大规模实际应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种用负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法,以期该负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂具有良好的催化活性和选择性,在较温和的条件下实现水合肼完全脱氢。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下。
将制备好的负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂置于反应器中,将反应器置于油浴中升至30~70℃,接着将摩尔比为1:1~5的水合肼和氢氧化钠混合液加入反应器中进行反应,得到产物氢气;其中:水合肼的物质的量与催化剂的质量比为0.01mol/g。
所述的负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂是通过以下步骤予以制备的:
(1)将三聚氰胺和硝酸铈按照质量比1:0.05~0.2溶解配成混合溶液,将上述混合溶液在70~100℃下搅拌至干燥,转移至管式炉在500~700℃焙烧4~8h 得到CeO2@C3N4载体。
(2)将摩尔比为1:0.2~9的Rh盐、Ni盐和去离子水配置于容器中,充分搅拌后形成混合溶液,再将步骤(1)制备的CeO2@C3N4加到上述混合溶液中;其中:混合盐的物质的量与CeO2@C3N4载体的质量比为0.2mmol/g。
(3)将步骤(2)得到的混合溶液置于0℃的水浴中,用0.05~0.3mol/L的硼氢化钠逐滴滴加还原,并搅拌4~12h;
(4)将步骤(3)得到的溶液过滤后干燥,即得到负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂。
进一步的,所述的负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂的制备步骤(2)中的Rh盐为氯化铑,Ni盐为氯化镍。
进一步的,所述的负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂的制备步骤(4)中的干燥在烘箱中进行,干燥温度为80~120℃,干燥时间为12~24h。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明采用浸渍还原法,催化剂制备使用硝酸铈和三聚氰胺混合液经焙烧得到CeO2@C3N4,将上述制备的载体置于一定含量的RhCl3·3H2O和 NiCl2·6H2O溶液中,经硼氢化钠溶液还原干燥制备负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂,该催化剂具有较高的活性和选择性。使用该催化剂进行水合肼脱氢反应,脱氢转化率和选择性均为100%,反应的TOF值大于450h-1。
2、与传统的负载型催化剂不同的是:根据本发明,调节催化剂中金属Rh、 Ni的摩尔比及载体CeO2@C3N4的组成就可以制得用于水合肼脱氢制氢气的高活性、高选择性负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂。
具体实施方法
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。但是所述实例不构成对本发明的限制。
实施例1
制备催化剂过程
将2g三聚氰胺和0.1g Ce(NO3)3·6H2O溶解于200mL去离子水,将上述混合液在70℃水浴中充分搅拌至干燥,转移至管式炉中500℃焙烧后8h,焙烧后即得到CeO2@C3N4,记为0.05CeO2@C3N4。将8.8mg RhCl3·3H2O和1.6mg NiCl2·6H2O溶于20mL蒸馏水,再将0.2g0.05CeO2@C3N4加入上述溶液中,充分搅拌后,在0℃冰浴中搅拌一段时间,滴加0.05mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌12h,过滤80℃的干燥箱中干燥24h,催化剂记为RhNi0.2/0.05CeO2@C3N4,密闭保存。
脱氢反应过程
将50mg上述催化剂装至管式反应器中,再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为30℃,向其中滴加摩尔比为1:1的水合肼和氢氧化钠混合液4ml,收集反应气体,反应后测得氢气的选择性为100%,水合肼转化率为100%,反应的 TOF值为1020h-1。
实施例2
制备催化剂过程
将2g三聚氰胺和0.4g Ce(NO3)3·6H2O溶解于200mL去离子水,将上述混合液在100℃水浴中充分搅拌至干燥,转移至管式炉中700℃焙烧后4h,焙烧后即得到CeO2@C3N4,记为0.2CeO2@C3N4。将1.1mg RhCl3·3H2O和8.6mg NiCl2·6H2O溶于20mL蒸馏水,再将0.2g0.2CeO2@C3N4加入上述溶液中,充分搅拌后,在0℃冰浴中搅拌一段时间,滴加0.3mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌4h,过滤120℃的干燥箱中干燥12h,催化剂记为RhNi9/0.2CeO2@C3N4,密闭保存。
脱氢反应过程
将50mg上述催化剂装至管式反应器中,再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为70℃,向其中滴加摩尔比为1:5的水合肼和氢氧化钠混合液4ml,收集反应气体,反应后测得氢气的选择性为100%,水合肼转化率为100%,反应的 TOF值为520h-1。
实施例3
制备催化剂过程
将2g三聚氰胺和0.3g Ce(NO3)3·6H2O溶解于200mL去离子水,将上述混合液在90℃水浴中充分搅拌至干燥,转移至管式炉中600℃焙烧后6h,焙烧后即得到CeO2@C3N4,记为0.15CeO2@C3N4。将1.8mg RhCl3·3H2O和7.9mg NiCl2·6H2O溶于20mL蒸馏水,再将0.2g0.15CeO2@C3N4加入上述溶液中,充分搅拌后,在0℃冰浴中搅拌一段时间,滴加0.1mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌8h,过滤90℃的干燥箱中干燥18h,催化剂记为RhNi5/0.15CeO2@C3N4,密闭保存。
脱氢反应过程
将50mg上述催化剂装至管式反应器中,再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为60℃,向其中滴加摩尔比为1:4的水合肼和氢氧化钠混合液4ml,收集反应气体,反应后测得氢气的选择性为100%,水合肼转化率为100%,反应的 TOF值为820h-1。
实施例4
制备催化剂过程
将2g三聚氰胺和0.2g Ce(NO3)3·6H2O溶解于200mL去离子水,将上述混合液在80℃水浴中充分搅拌至干燥,转移至管式炉中650℃焙烧后5h,焙烧后即得到CeO2@C3N4,记为0.1CeO2@C3N4。将2.6mg RhCl3·3H2O和7.1mg NiCl2·6H2O溶于20mL蒸馏水,再将0.2g0.1CeO2@C3N4加入上述溶液中,充分搅拌后,在0℃冰浴中搅拌一段时间,滴加0.2mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌6h,过滤110℃的干燥箱中干燥16h,催化剂记为RhNi3/0.1CeO2@C3N4,密闭保存。
脱氢反应过程
将50mg上述催化剂装至管式反应器中,再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为40℃,向其中滴加摩尔比为1:2的水合肼和氢氧化钠混合液4ml,收集反应气体,反应后测得氢气的选择性为100%,水合肼转化率为100%,反应的 TOF值为540h-1。
实施例5
制备催化剂过程
将2g三聚氰胺和0.3g Ce(NO3)3·6H2O溶解于200mL去离子水,将上述混合液在70℃水浴中充分搅拌至干燥,转移至管式炉中550℃焙烧后8h,焙烧后即得到CeO2@C3N4,记为0.15CeO2@C3N4。将5.3mg RhCl3·3H2O和4.8mg NiCl2·6H2O溶于20mL蒸馏水,再将0.2g0.15CeO2@C3N4加入上述溶液中,充分搅拌后,在0℃冰浴中搅拌一段时间,滴加0.25mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌10h,过滤110℃的干燥箱中干燥20h,催化剂记为RhNi/0.15CeO2@C3N4,密闭保存。
脱氢反应过程
将50mg上述催化剂装至管式反应器中,再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为30℃,向其中滴加摩尔比为1:3的水合肼和氢氧化钠混合液4ml,收集反应气体,反应后测得氢气的选择性为100%,水合肼转化率为100%,反应的 TOF值为730h-1。
实施例6
制备催化剂过程
将2g三聚氰胺和0.4g Ce(NO3)3·6H2O溶解于200mL去离子水,将上述混合液在70℃水浴中充分搅拌至干燥,转移至管式炉中500℃焙烧后8h,焙烧后即得到CeO2@C3N4,记为0.2CeO2@C3N4。将3.5mg RhCl3·3H2O和6.3mg NiCl2·6H2O溶于20mL蒸馏水,再将0.2g0.2CeO2@C3N4加入上述溶液中,充分搅拌后,在0℃冰浴中搅拌一段时间,滴加0.15mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌7h,过滤80℃的干燥箱中干燥24h,催化剂记为RhNi2/0.2CeO2@C3N4,密闭保存。
脱氢反应过程
将50mg上述催化剂装至管式反应器中,再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为70℃,向其中滴加摩尔比为1:5的水合肼和氢氧化钠混合液4ml,收集反应气体,反应后测得氢气的选择性为100%,水合肼转化率为100%,反应的 TOF值为810h-1。
Claims (3)
1.用负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法,其特征在于:将负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂置于反应器中,将反应器置于油浴中升至30~70℃,接着将摩尔比为1:1~5的水合肼和氢氧化钠混合液加入反应器中进行反应,得到产物氢气;其中:水合肼的物质的量与催化剂的质量比为0.01mol/g;
所述的负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂是通过以下步骤予以制备的:
(1)将三聚氰胺和硝酸铈按照质量比1:0.05~0.2溶解配成混合溶液,将上述混合溶液在70~100℃下搅拌至干燥,转移至管式炉在500~700℃焙烧4~8h得到CeO2@C3N4载体;
(2)将摩尔比为1:0.2~9的Rh盐、Ni盐和去离子水配置于容器中,充分搅拌后形成混合溶液,再将步骤(1)制备的CeO2@C3N4加到上述混合溶液中;其中:混合盐的物质的量与CeO2@C3N4载体的质量比为0.2mmol/g;
(3)将步骤(2)得到的混合溶液置于0℃的水浴中,用0.05~0.3mol/L的硼氢化钠逐滴滴加还原,并搅拌4~12h;
(4)将步骤(3)得到的溶液过滤后干燥,即得到负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂。
2.如权利要求1所述的用负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法,其特征在于,所述的负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂的制备步骤(2)中的Rh盐为氯化铑,Ni盐为氯化镍。
3.如权利要求1所述的用负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法,其特征在于,所述的负载型RhNi/CeO2@C3N4纳米催化剂的制备步骤(4)中的干燥在烘箱中进行,干燥温度为80~120℃,干燥时间为12~24h。
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