[发明专利]一种二元钴基非贵金属Co-B催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及ー种催化剂及制备方法，具体为一种形貌可控的纳米二元钴基非贵金属Co-B催化剂的制备方法和其在硼氢化钠制氢方面的应用，属于无机化学技术领域。

背景技术

随着全球经济的迅猛发展，煤、石油和天然气等石化能源的不断消耗，氢能成为解决当前能源危机的一种新能源。氢能由于具有清洁高效的优点而能够应用于生产生活多个方面，成为具有开发潜力的能源之一。在各种潜在的储氢方式中，固态储氢材料在能量密度、操作安全性等方面明显优于高压容器储氢和低温液态储氢。长期以来一直被视为最具发展前景的储氢方式。已有的储氢合金体系（如AB、AB₂和AB₅型合金等），虽具有高体积储氢密度，但温和条件下的有效质量储氢容量多低于3wt%，难以满足移动式氢源等能量转换的需求。由氢元素组成的配位氢化物储氢材料，如硼氢化锂（LiBH₄）、硼氢化钠（NaBH₄）和氨硼烷（NH₃BH₃）等硼氢化物因具有高储氢容量而成为当前储氢研究领域的重点材料之一。

硼氢化钠（NaBH₄）具有19.6wt%的理论储氢容量，可通过催化水解的方式实现放氢。硼氢化钠水解反应中，Pt基催化剂(Brown H C,Brown C A.J.Am.Chem.Soc.,1962,84(8):1493-1494;Guella G,Patton B,Miotello A.The Journal of Physical Chemistry C,2007,111(50):18744-18750)、Ru基催化剂(Zahmakiran M,zkar S.Langmuir,2008,24(14):7065-7067)是常用材料，在一定程度上均可有效提高放氢速率，但高昂的成本不适合工业生产和生活需要，阻碍其广泛应用。为了在提高催化剂催化速率的同时降低材料成本，研究人员把贵金属与非贵金属组合，这种组合的催化剂可以利用各元素之间的协同作用，有效调节每一种元素对反应的响应程度(Wang X,Sun S and Huang Z,et al.Int.J.Hydrogen Energy,2014,39(2):905-916)。含有非贵金属元素的合金材料的催化性能突出，价格比单一贵金属有明显降低。但是，贵金属成分势必增加催化剂成本，从而导致制氢成本提高。所以，要想从根本上解决制氢成本问题，只有完全使用非贵金属催化剂才能真正实现氢能广泛应用，这成为影响硼氢化钠制氢能否应用的关键问题。

非贵金属Ni、Co、Fe等单质均能明显提高硼氢化钠水解放氢速率。但非贵金属催化剂与贵金属相比催化放氢量方面还有待提升，反应的活化能需要进一步降低，并且非贵金属单质的抗氧化性不强，催化剂稳定性差。二元非贵金属催化剂可以有效提高催化效率，增强催化剂的稳定性，比如Co-B、Co-P、Ni-B及Fe-B合金都相继取得了较好的催化效果，并且二元非贵金属催化剂的催化性能要显著优于其单质(Cho K W,Kwon H S.Catal.Today,2007,120(3–4):298-304)。由此可见二元非贵金属在催化硼氢化钠水解放氢中的有效应用。近年来，越来越多的研究小组加入到研究硼氢化钠催化制氢中，例如澳大利亚的Yao小组、印度的Manna小组、西班牙的Arzac小组、韩国Lee小组等。我国科技工作者（清华大学、南开大学、浙江大学、武汉大学、中科院金属研究所等）在该领域也进行了多方面的研究，取得了一些进展。

但是对于硼氢化钠制氢领域非贵金属催化剂的研究仍存在一定的问题：（1）提高非贵金属催化性能的方法主要集中在与贵金属复合，虽然贵金属含量较少，成本相对全贵金属已有很大降低，但贵金属的存在势必影响硼氢化钠制氢应用；（2）二元非贵金属的研究重点在于寻找催化性能较好的元素组合，缺乏对物相组成、形貌、等对催化性能影响的系统性研究，因此，发明具有良好催化性能、形貌可控的二元钴基非贵金属Co-B催化剂，对于提高硼氢化钠制氢的实际应用将具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种纳米二元钴基非贵金属Co-B催化剂，且不含贵金属，成本低。该催化剂应用于硼氢化钠水解制氢体系的优势在于具有较高的催化活性，能实现较低温度下快速放氢，有效提高了硼氢化钠水解制氢的动力学性能，降低体系的活化能，且安全高效，在车载储氢方面具有广泛的应用前景。