金属钯催化甲醛室温产氢研究

摘要

氢能是一种清洁能源，因其具有热值高，无污染等等一系列的优点被誉为二十一世纪的“能源货币。制取氢气主要有烃类重整，水制氢，生物制氢和催化有机物产氢等方式。其中催化甲醛产氢是一种新型高效的产氢方法，在碱性介质中金属纳米颗粒可以催化甲醛室温产生氢气，并且产生的氢气中不含一氧化碳和二氧化碳等碳氧化合物。因为催化剂大部分为贵金属催化剂，为了减少催化剂的用量增加催化剂的催化活性，选用不同的载体制备出不同的复合催化剂。
　　利用浸渍还原法制备出Pd/BiOCl催化剂，研究了Pd/BiOCl催化剂在室温下催化甲醛产氢的性能。在反应条件相同情况下，与纯的Pd纳米颗粒催化产氢性能进行对比，发现在Pd/BiOCl复合催化剂中虽然负载量仅为2 wt％，但是表现出比纯 Pd纳米颗粒更强的催化性能。在十个小时反应中Pd/BiOCl催化剂没有明显失活，具有很好的催化稳定性。通过进一步优化反应参数，如甲醛、氢氧化钠浓度、贵金属负载量和反应温度等条件，Pd/BiOCl催化甲醛室温产氢速率可达到200 mL/(min*gcat.)。没有催化剂时甲醛产氢的活化能为65 kJ/mol，而在加入Pd/BiOCl复合催化剂后计算出反应活化能为15.2 kJ/mol。
　　在室温催化甲醛产氢反应中，Pd量子点负载到暴露出（001）晶面的TiO2上有很好的催化性能。相比传统的Pd/P25催化剂和纯Pd纳米颗粒有好的稳定性和催化活性。通过优化反应参数如甲醛，氢氧化钠浓度和温度等反应参数，Pd/TiO2催化甲醛产生速率到达250 mL/(min*gcat.)，并且在10小时内产氢速率保持不变有很好的稳定性。
　　为了进一步提升催化活性，减少贵金属用量。制备了合金结构的催化剂，同过合金原子的电子特性大幅度提升催化活性，而且还进一步减少了贵金属Pd的用量。在室温下活性位点催化甲醛产氢速率可达到14.2 L/(min*gmetal),计算出TOF为4100 h-1。由于CuPd合金颗粒在多壁碳纳米管上分散性好，粒径较小，尤其是Cu的加入引起了Pd电子结构的改变，提升了催化性能。催化甲醛产氢被认为是最有可能在实际应用中提供纯净氢气的技术。

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第1章 绪 论

1.1氢的特点

1.2氢的用途

1.3氢的来源

1.4甲醛产氢的机理

1.5催化剂载体

1.6本文研究意义和目的

第2章 Pd/BiOCl催化甲醛制氢研究

2.1 引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

第3章 Pd/TiO2催化甲醛制氢的研究

3.1 引言

3.2实验部分

3.3 结果与讨论

3.4结论

第4章CuPd/CNTs催化甲醛产氢的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4结论

第5章Pd/MOF催化甲醛产氢的研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3 结果与讨论

5.4总结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文