NaBH4溶液贮氢体系及其水解催化剂研究

论文题目: NaBH4溶液贮氢体系及其水解催化剂研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 材料学

作者: 晏伟

导师: 雷永泉

关键词: 催化剂,粉负载型,催化剂,水解反应,产氢速率,贮氢密度

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在对国内外NaBH4溶液水解制氢反应催化剂的研究进展进行全面综述的基础上，本文确定以提高Ni-B和Co-B两种低成本催化剂的催化性能为研究目标，采用XRD、TEM、SEM以及催化水解反应速率测试等手段，比较系统的研究了通过化学掺杂制备的Ni-Fe-B及Co-Fe-B两种三元催化剂及铁粉负载型的Ni-B和Co-B催化剂的成分、结构及水解反应条件（NaOH浓度、反应温度）对其催化水解性能的影响规律与机制，力求使催化剂的催化水解性能进一步得到提高。对于采用Fe掺杂的Ni-Fe-B催化剂，本文首先对比研究了催化剂的成分（Ni／Fe比）对于催化水解性能的影响。研究表明，在所研究的几种Ni-Fe-B催化剂中，以Ni／Fe比为3∶1(实际成分为：Ni2.2Fe0.7B)时的催化性能最好，在40℃时的水解反应产氢速率可达500ml／min。XRD以及TEM观察表明，Ni2.2Fe0.7B具有纳米晶结构，其晶粒尺寸（1.9nm）大于未掺杂Fe的Ni-B催化剂（1.2nm），但其团聚结构的尺寸（15nm）小于未掺杂Fe的Ni-B（20nm）。研究还表明，在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用Ni2.2Fe0.7B催化剂时，水解反应的表观活化能Ea=49.3kJ／mol。在反应温度为45℃的条件下，NaBH4的转化率为92.5％，饱和碱性NaBH4溶液体系的最大贮氢密度为6.82wt％。对于采用Fe掺杂的Co-Fe-B催化剂，本文首先对比研究了催化剂的成分（Co／Fe比）对于催化水解性能的影响。研究表明，在所研究的几种Ni-Fe-B催化剂中，当Co／Fe比为2∶1时具有最好的催化水解性能。在25℃时的水解反应的产氢速率可达360ml／min。TEM观察表明，Co2FeB的团聚结构的粒径为20nm左右。研究表明，在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用Co2FeB催化剂时，水解反应的表观活化能Ea=26.0kJ／mol。在反应温度为45℃的条件下，NaBH4的转化率为94.0％。饱和碱性NaBH4溶液体系在45℃时的最大贮氢密度为6.88wt％。显然，与Ni2.2Fe0.7B催化剂相比，Co2FeB催化剂具有更佳的催化水解性能。对于Fe粉负载型Ni-B催化剂，本文首先对比研究了Fe粉用量及粒度对于催化水解性能的影响。研究表明，在所研究的几种负载型催化剂中，采用1g80目Fe作为载体的负载型Ni-B催化剂具有最好的催化水解性能。在25℃时的水解反应产氢速率可达76ml／min。SEM及TEM观察表明，该催化剂由附着在Fe粉表面的Ni-B以及少量游离的Ni-B团聚粒子组成。附着在Fe表面的Ni-B的团聚粒子的平均粒径为30nm左右。研究也表明，在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用80目Fe粉负载的Ni-B催化剂时，水解反应的表观活化能Ea=60.3kJ／mol。在反应温度为45℃的条件下，NaBH4的转化率为91.7％。饱和碱性NaBH4溶液体系在45℃时的最大贮氢密度为6.77wt％。对于Fe粉负载型Co-B催化剂，本文首先对比研究了Fe粉用量及粒度对于催化水解性能的影响。研究表明，在所研究的几种负载型催化剂中，采用1g80目Fe作为载体的负载型Co-B催化剂具有最好的催化水解性能。在25℃时的水解反应产氢速率可达182ml／min。SEM研究表明，该催化剂由附着在Fe粉表面的Co-B以及少量游离的Co-B团聚粒子组成。附着在Fe表面的Co-B的团聚粒子的平均粒径为50nm左右。研究也表明，在NaBH4溶液中添加一定数量的NaOH溶液可以加快催化水解反应的速率。升高反应温度可以提高反应速率和提高NaBH4的反应转化率。在使用80目Fe粉负载的Co-B催化剂时，水解反应的表观活化能Ea=37.1kJ／mol。在反应温度为45℃的条件下，NaBH4的转化率为92.1％。饱和碱性NaBH4溶液体系在45℃时的最大贮氢密度为6.79wt％。与Fe粉负载型的Ni-B催化剂相比，Fe粉负载型的Co-B催化剂具有更佳的催化水解性能。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 氢能源的优点及应用前景

1.2 氢能源发展应用中存在的技术难题

1.3 利用硼氢化钠溶液体系作为贮氢载体的新型贮氢方法

第二章 文献综述:NaBH_4溶液催化水解制氢及其催化剂研究进展

2.1 NaBH_4水溶液的自发水解反应

2.2 硼氢化钠溶液催化水解制氢反应及催化剂的研究

2.2.1 过渡族金属盐溶液催化剂

2.2.2 铂族金属催化剂

2.2.2.1 Ru催化剂

2.2.2.2 Pt催化剂

2.2.3 Ni-B和Co、Ni催化剂及其催化水解性能

2.2.3.1 Ni-B催化剂

2.2.3.2 Ni,Co催化剂

2.3 溶液中的NaBH_4的初始浓度对催化水解反应的影响

2.4 溶液中的NaOH浓度对催化水解反应的影响

2.5 反应温度对催化水解反应的影响

2.6 NaBH_4溶液体系制氢方法存在的问题

2.7 本文的研究思路及研究内容

第三章 实验方法

3.1 催化剂的制备

3.1.1 Ni-Fe-B和Co-Fe-B催化剂的制备

3.1.2 Fe粉负载型催化剂的制备

3.2 催化剂的催化水解性能测试

3.3 催化剂的结构形态及形貌观察

3.4 NaBH_4的水解转化率测定及NaBH_4溶液体系的最大储氢密度的计算

第四章:Ni-Fe-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能研究

4.1 Ni-Fe-B的成分(Ni/Fe比)对反应产氢速率的影响

4.2 溶液中的NaOH浓度对水解反应产氢速率的影响

4.3 反应温度对水解反应产氢速率的影响

4.4 碱性NaBH_4溶液体系的最大贮氢密度及能量输出计算

4.4.1 碱性NaBH_4水溶液体系的最大贮氢密度

4.4.2 碱性NaBH_4水溶液催化水解的能量输出计算

4.5 本章小结

第五章:Co-Fe-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能研究

5.1 Co-Fe-B的成分(Co/Fe比)对反应产氢速率的影响

5.2 溶液中的NaOH初始浓度对水解反应产氢速率的影响

5.3 反应温度对水解反应产氢速率的影响

5.4 碱性NaBH_4溶液体系的最大贮氢密度及能量输出计算

5.4.1 碱性NaBH_4水溶液体系的最大贮氢密度

5.4.2 碱性NaBH_4水溶液催化水解的能量输出计算

5.5 本章小结

第六章:Fe粉负载型Ni-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能研究

6.1 Fe粉负载Ni-B催化剂的组成(载体用量、载体粒度)对反应产氢速率的影响

6.2 溶液中的NaOH初始浓度对水解反应产氢速率的影响

6.3 反应温度对水解反应产氢速率的影响

6.4 碱性NaBH_4溶液体系的最大贮氢密度及能量输出计算

6.4.1 碱性NaBH_4水溶液体系的最大贮氢密度

6.4.2 碱性NaBH_4水溶液催化水解的能量输出计算

6.5 本章小结

第七章:Fe粉负载型Co-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能研究

7.1 Fe粉负载Co-B催化剂的组成(载体用量、载体粒度)对反应产氢速率的影响

7.2 溶液中的NaOH初始浓度对水解反应产氢速率的影响

7.3 反应温度对水解反应产氢速率的影响

7.4 碱性NaBH_4溶液体系的最大贮氢密度及能量输出计算

7.4.1 碱性NaBH_4水溶液体系的最大贮氢密度

7.4.2 碱性NaBH_4水溶液催化水解的能量输出计算

7.5 本章小结

第八章 总结

8.1 Ni-Fe-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能

8.2 Co-Fe-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能

8.3 Fe粉负载型Ni-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能

8.4 Fe粉负载型Co-B催化剂及其对NaBH_4溶液水解制氢反应的催化性能

参考文献

攻读硕士期间完成的论文

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

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