[发明专利]甲酸水解制氢用高效纳米催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及催化剂制备技术领域，具体地涉及一种甲酸水解制氢用高效纳米催化剂，该催化剂为通过在经过‑NH₂‑N双官能团修饰的石墨烯载体NH₂‑N‑rGO上掺杂金钯铱纳米粒子得到AuPdIr/NH₂‑N‑rGO高效催化剂。通过一步快速还原法在室温下制得，合成时间短，操作简便，在没有任何添加剂存在的条件下仍然具有极高的催化活性，100％的甲酸转化率，100％的氢气选择性及较好的循环稳定性，且在0.75min内可以实现甲酸的完全分解。AuPdIr/NH₂‑N‑rGO的初始TOF值为10224.9h^‑1，远高于目前已经报道的AuPd/NH₂‑N‑rGO的TOF值为4639.2h^‑1。

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，特别是涉及甲酸水解制氢用高效纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

氢气被认为是非常有潜力的运输/移动应用上的能量载体，在未来可再生能源科技的可持续发展中发挥重要的作用。然而，氢气极低的临界点和非常低的密度使得氢气的有效储存难以突破，这给氢气基燃料电池的应用带来了极大的不便，所以寻找可替换材料是当下的研究重点。目前化学储氢材料由于室温下各种优势性能得到了广泛的关注，例如甲酸。甲酸(HC00H，FA)是生物过程的主要产物，无毒，在室温下具有极高的稳定性，含氢量为4.4％，各种优势性能使其可以在手提式燃料电池中作为安全便捷的氢气载体。甲酸在适当催化剂的作用下可以沿着水解路径分解，产生氢气和二氧化碳，然而甲酸也有可能沿着为人所厌恶的脱水路径进行分解，产生一氧化碳。众所周知，一氧化碳会使燃料电池中的催化剂中毒，导致活性降低乃至丧失。所以相关有效的方法应该用到甲酸分解反应来遏制一氧化碳的产生，例如调整催化剂的成分、溶液的pH以及反应温度等。近期，对甲酸选择性分解的研制取得了一定的进展，特别是在催化剂的研制方面研究颇多。例如，金属复合机异相催化剂已经被应用在环境条件下甲酸的水解反应中，并显示出较高活性。异相催化剂由于其容易控制、方便提取、便于回收等优势被广泛地使用。因此寻求室温下甲酸水解反应中具有高活性和高选择性的多相催化剂是当下的研究重点。细小尺寸的金属颗粒与大块材料相比具有独特的催化活性，这是由于小颗粒的比表面积大，边缘和角落的活性原子数目多，因此微小尺寸的金属颗粒在催化剂领域掀起了巨大的研究热潮。然而颗粒尺寸越小越容易团聚，尤其是纳米级别的，这是表面能因素所导致的。团聚会对催化剂的活性造成巨大的影响，活性不能完全表现出来而呈现出活性低下。为了避免这一问题，各种各样的支持材料充当基底被应用到金属纳米颗粒催化剂的制备中，促使小颗粒能在其表面均匀的分布，从而避免了团聚。石墨烯这种单层碳材料由于其高电导率、巨大的比表面积、独特的石墨化基片结构以及低廉的制备成本等优势得到了极大的研究关注。由于石墨烯的这些优势，以其为基底的各种纳米材料已经被应用到各个领域中，如传感器、电子、电化学能储、高效催化剂等。在催化剂领域的研究中，石墨烯与金属纳米颗粒之间的相互作用对催化剂活性的提升发挥重要的作用。因此，石墨烯是非常有潜力的理想基底。

本课题组在2018年6月份向国家专利局提交了一份发明专利申请，申请号为201810620905.2，发明名称为一种功能化石墨烯负载金钯纳米催化剂及其制备方法和应用，以期找到一种简单且有效的方法合成高效且分散性好的金属合金纳米催化剂来提高甲酸脱氢反应效率，然而该方法制备的催化剂在催化效率上来评价仍然具有上升空间。

发明内容

本发明为了提高催化剂的催化效率，提供了一种甲酸水解制氢用高效纳米催化剂及其制备方法，可以完全解决上述技术问题。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明设计了一种甲酸水解制氢用高效催化剂，即通过在经过-NH₂-N双官能团修饰的石墨烯载体NH₂-N-rGO上掺杂金钯铱纳米粒子得到AuPdIr/NH₂-N-rGO高效催化剂。

上述甲酸水解制氢用高效催化剂的制备方法，包括以下步骤：