硼氢化物催化制氢及相关储能材料研究

新型可再生绿色能源及能量高效清洁储存与转化技术的研发是未来社会可持续发展的关键因素。能量密度高、环境友好的氢能是极具发展潜力的新型能源,氢的高效制取和储存是氢能发展面临的主要问题。虽然硼氢化物具有较高的储氢密度,但其水解／热解制氢反应均表现出了缓慢的动力学性能。硼氢化物制氢体系的广泛应用依赖于高效实用化制氢催化剂的开发。另一方面,直接甲醇燃料电池作为高效的能量转化装置成为近年来的研究热点。阳极催化剂是目前影响直接甲醇燃料电池性能和成本的关键环节之一,催化剂载体的发展对提高贵金属催化剂的利用率,增强催化剂的催化活性和稳定性具有重要意义。基于以上分析,本论文围绕硼氢化物新型制氢催化剂和多孔碳载体材料的制备、表征以及在能量储存与转化中的应用开展研究。 1.采用注入-化学沉积和模板-化学还原的方法分别制备了碳黑载Co-B催化剂和Co-B纳米空心球催化剂,并对产物的形貌、组成以及对催化硼氢化钠(NaBH4)水解制氢性能进行了表征。分别考察了活性物质负载量、反应温度、反应物浓度以及热处理对催化制氢性能的影响。与常规方法得到的Co-B纳米颗粒相比,所制备的两种催化剂均表现出明显改善了的催化活性。热处理后的Co-B空心球催化NaBH4水解制氢速率达到了2720mLmin-1 g-1,产氢量接近理论值。实验结果表明利用高比表面积负载材料分散活性物质和构建空心多孔的功能化结构是提高非贵金属催化剂催化NaBH4水解制氢性能的两个重要手段。 2.通过溶液混合的过程将聚丙烯酸甲酯(PMA)与氨硼烷(AB)进行复合得到了一种新型的催化制氢体系,并比较了不同投料比情况下得到的样品中PMA与AB的混合程度、物理特性以及热分解制氢性能。研究结果表明,所得复合材料具有一定的防水性能且表现出了良好的放氢动力学,与PMA的复合有效地降低了氨硼烷的脱氢温度并抑制了有害含硼气态杂质的产生。通过改变反应温度可以实现对热分解过程的调控,实验结果有助于更好的理解AB热分解的动力学和热力学性质。在该复合制氢体系中具有活性有机官能团高分子材料的成功应用也拓宽了氨硼烷热分解制氢催化剂的选择范围。 3.以酚醛树脂作为碳源,正硅酸乙酯作为模板源,利用自组装的过程制备出了具有蜂窝状分级结构的多孔碳材料。相比于传统方法,该过程具有简便、省时的优点,更加适合规模化制备。实验中对所得产物的形貌、结构、比表面积及孔隙度进行了详细的表征。分析并验证了所得到分级结构多孔碳的形成过程,考察了在制备过程中模板剂TEOS浓度、聚合引发剂氨水加入速度等因素对产物形貌和孔隙度的影响。与传统的碳黑负载Pt催化剂相比,所制备的多孔碳负载Pt催化剂在甲醇氧化反应中表现出了更高的催化活性和循环稳定性,作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂具有良好的应用前景。