CN110652993A - 一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究 - Google Patents

一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究。氨硼烷除用作高能储氢材料外，近年来氨硼烷及其衍生物在有机合成化学领域还可用作还原剂用于醛酮、羰基化合物的还原反应，与传统还原剂相比具有反应条件温和、选择性强、产物收率高等优点。氨硼烷化合物(NH3BH3)是新近得到密切关注的一种新型化学氢化物储氢材料，它具有超高的氢密度(19.6wt％)，热稳定性和化学稳定性良好等优点而具有广阔的应用前景。其中在T＝298K、15％NaOH下氨硼烷产氢速率最快，TOF值为54moLH2.min‑1.moLCa ‑1，表观活化能为27.1kJ/mol，其中金属钴的负载量为1‑2％wt，该催化剂的成功制备对氨硼烷产氢有着重大意义。

Description

一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究
技术领域
本发明属于催化剂领域，具体涉及一种非贵金属催化剂的制备方法及氨硼烷产氢性能的研究。
背景技术
近些年，随着全球经济的迅速发展,人类对能源的需求加速了煤、石油、天然气等不可再生能源的消耗,也对全球环境造成了严重污染，而氢能由于含量丰富、燃值高、可再生、无污染等优点备受人们的关注。氨硼烷(NH3BH3，简称AB)具有高储氢密度(19.6％)，低分子量(30.9gmol-1)，无毒性，高稳定性和环境友好性等特点，是储氢量最高的化学氢化物储氢材料之一。与此同时，氢能源的开发与利用也受到了研究者的高度关注，然而对于氢气的储存和利用却面临着巨大的挑战。其中最关键的问题就是难以快速高效的产氢以及氢气的安全储存。氢气是满足不断增长的清洁和高效能源供应需求的最佳期望能源载体之一。氨硼烷产氢可以通过热解和水解两种方式实现，然而热解法需要在较高的温度下实行，氨硼烷的水溶液比较稳定，在合适的催化剂存在下，可以在室温下快速容易地水解产生氢气。
鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究，采用的是钴氮杂石墨烯基催化剂，反应条件温和，催化效率高，适用于催化领域。
一种钴氮杂石墨烯基催化剂氨硼烷产氢性能的研究，具体步骤如下：
S1:制备钴氮杂石墨烯基催化剂；
S2:钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢。
进一步地，S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法的具体步骤为：一定质量的尿素、邻苯二甲酸酐、钼酸铵和六水氯化钴于500mL烧杯中，置于一定温度下的油浴锅中加热、搅拌，待试样达到熔融状态后冷却至室温，将其置于微波炉中加热一段时间后取出，冷却至室温，研细后加入一定体积、浓度的氢氧化钠溶液煮沸30min，抽滤，洗涤至中性，烘干，研磨；用浓硫酸将干燥后的产物溶解，用去离子水稀释后抽滤，洗至中性，烘干，研细，得到钴酞菁；将钴酞菁高温煅烧处理得到钴氮杂石墨烯基催化剂；
进一步地，S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法，其步骤中的尿素、邻苯二甲酸酐、钼酸铵和六水氯化钴的质量分别为27g、16.8g、1.5g和5.7g；
进一步地，S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法，其步骤中的油浴温度为100-120℃，微波中反应时间为6-8min；
进一步地，S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法，其步骤中的氢氧化钠的体积为340mL，浓度为20％；
进一步地，S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法，其步骤中的钴的负载量为1-2％；
进一步地，S2中所述钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢的具体步骤为：将一定量的催化剂、反应底物和溶剂加入两口烧瓶中，并用控制变量法设计不同条件下的实验，考察不同条件下催化剂催化氨硼烷水解速率的影响；
进一步地，S2中所述钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢，其步骤中设计的条件为氢氧化钠浓度、催化剂浓度、水溶液的浓度、氨硼烷浓度、温度以及催化剂循环稳定性实验。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究中，该催化剂不仅活性高、选择性高；
2、本发明提供的一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究中，催化剂的制备方法简单易行，成本低廉；
3、本发明的催化剂催化氨硼烷产氢的副产物少，反应条件温和，操作简便，而且重现性好；
4、本发明的原料具有储氢密度高(19.6％)，低分子量(30.9g mol-1)，无毒性，高稳定性和环境友好性等特点。
附图说明
图1是NaOH浓度对氨硼烷水解产氢的影响图；
图2是催化剂浓度对氨硼烷水解产氢的影响图；
图3是水浓度对氨硼烷水解产氢的影响图；
图4是氨硼烷浓度对氨硼烷水解产氢的影响图；
图5是温度对氨硼烷水解产氢的影响图；
图6是催化剂循环使用对氨硼烷水解产氢的影响图；
图7是钴氮杂石墨烯基催化剂的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
具体实施方式1
制备钴氮杂石墨烯基催化剂：一定质量的尿素、邻苯二甲酸酐、钼酸铵和六水氯化钴于500mL烧杯中，置于一定温度下的油浴锅中加热、搅拌，待试样达到熔融状态后冷却至室温，将其置于微波炉中加热一段时间后取出，冷却至室温，研细后加入一定体积、浓度的氢氧化钠溶液煮沸30min，抽滤，洗涤至中性，烘干，研磨；用浓硫酸将干燥后的产物溶解，用去离子水稀释后抽滤，洗至中性，烘干，研细，得到钴酞菁；将钴酞菁高温煅烧处理得到钴氮杂石墨烯基催化剂。
具体实施方式2
本发明制得的钴氮杂石墨烯基催化剂在T＝298K、P＝1.01kPa、mca＝10mg、mAB＝40mg、转速为450d·min-1的条件下，不同氢氧化钠浓度对氨硼烷水解产氢的影响如附图说明中的图1所示。
具体实施方式3
本发明制得的钴氮杂石墨烯基催化剂在T＝298K、P＝1.01kPa、CNaOH＝15％、mAB＝40mg、转速为450d·min-1的条件下，不同催化剂浓度对氨硼烷水解产氢的影响如附图说明中的图2所示。
具体实施方式4
本发明制得的钴氮杂石墨烯基催化剂在T＝298K、P＝1.01kPa、CNaOH＝15％、mAB＝40mg、mca＝50mg、转速为450d·min-1的条件下，不同水浓度对氨硼烷水解产氢的影响如附图说明中的图3所示。
具体实施方式5
本发明制得的钴氮杂石墨烯基催化剂在T＝298K、P＝1.01kPa、CNaOH＝15％、mca＝50mg、转速为450d·min-1的条件下，不同氨硼烷浓度对氨硼烷水解产氢的影响如附图说明中的图4所示。
具体实施方式6
本发明制得的钴氮杂石墨烯基催化剂在P＝1.01kPa、CNaOH＝15％、mAB＝40mg、mca＝50mg、转速为450d·min-1的条件下，不同温度对氨硼烷水解产氢的影响如附图说明中的图5所示。
具体实施方式7
本发明制得的钴氮杂石墨烯基催化剂在T＝298K、P＝1.01kPa、CNaOH＝15％、mAB＝40mg、mca＝50mg、转速为450d·min-1的条件下，催化剂的循环实验对氨硼烷水解产氢的影响如附图说明中的图6所示。
具体实施方式7
制备钴氮杂石墨烯基催化剂：一定质量的尿素、邻苯二甲酸酐、钼酸铵和六水氯化钴于500mL烧杯中，置于一定温度下的油浴锅中加热、搅拌，待试样达到熔融状态后冷却至室温，将其置于微波炉中加热一段时间后取出，冷却至室温，研细后加入一定体积、浓度的氢氧化钠溶液煮沸30min，抽滤，洗涤至中性，烘干，研磨；用浓硫酸将干燥后的产物溶解，用去离子水稀释后抽滤，洗至中性，烘干，研细，得到钴酞菁；将钴酞菁高温煅烧处理得到钴氮杂石墨烯基催化剂。对钴基催化剂的进行扫描电子显微镜表征，如附图说明中的图7所示。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢性能的研究，其特征在于，具体步骤如下：
S1:制备钴氮杂石墨烯基催化剂，其步骤如下:
称取一定质量的尿素、邻苯二甲酸酐、钼酸铵和六水氯化钴于500mL烧杯中，置于一定温度下的油浴锅中加热、搅拌，待试样达到熔融状态后冷却至室温，将其置于微波炉中加热一段时间后取出，冷却至室温，研细后加入一定体积、浓度的氢氧化钠溶液煮沸30min，抽滤，洗涤至中性，烘干，研磨；用浓硫酸将干燥后的产物溶解，用去离子水稀释后抽滤，洗至中性，烘干，研细，得到钴酞菁；将钴酞菁高温煅烧处理得到钴氮杂石墨烯基催化剂；
S2:钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢，其步骤如下：
将一定量的催化剂、反应底物和溶剂加入两口烧瓶中，并用控制变量法设计不同条件下的实验，考察不同条件下催化剂催化氨硼烷水解速率的影响。
2.根据权利要求1的S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法中，尿素、邻苯二甲酸酐、钼酸铵和六水氯化钴的质量分别为27g、16.8g、1.5g和5.7g。
3.根据权利要求1的S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法中，油浴温度为100-120℃，微波中反应时间为6-8min。
4.根据权利要求1的S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法中，氢氧化钠的体积为340mL，浓度为20％。
5.根据权利要求1的S1中所述钴氮杂石墨烯基催化剂的制备方法中，钴的负载量为1-2％。
6.根据权利要求1的S2中所述钴氮杂石墨烯基催化剂催化氨硼烷产氢实验中，设计的条件为氢氧化钠浓度、催化剂浓度、水溶液的浓度、氨硼烷浓度、温度以及催化剂循环稳定性实验。
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