水合肼分解制氢镍基催化剂的成分调控与性能研究

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1、硕士学位论文水合肼分解制氢镍基催化剂的成分调控与性能研究及能研究作者姓名丘玉萍学科专业材料加工工程指导教师王平教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月CompositiontuningandpropertyinvestigationsofNi-basedcatalystforhydrogengenerationfromhydroushydrazinedecompositionADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YupingQiuSuperviso

2、r：Prof.PingWangSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要氢能是高效、洁净的二次能源，研发高效安全的储氢材料和技术对于根本性解决能源与环境等全球性问题，实现可持续发展具有重大意义。历经数十年发展，储氢材料主要分为可逆储氢和化学储氢材料。近年来，研究人员将关注点转移到以水合肼为代表的新型化学储氢材料。水合肼催化分解制氢体系具有理论储氢容量高(8wt%)、制氢成本低、制氢反应不产生固体残余物等突出优点；此外，水合肼在常温常压下为液体，便于贮存和输运，且在现有液体燃

3、料（汽油）输运/加注基础设施上具备使用兼容性。正是这些特性，相比于其他化学储氢材料，水合肼分解制氢在氢燃料电池车及移动式、便携式电源领域更具应用前景。研制兼具高催化活性、高制氢选择性、良好耐久性的催化剂是发展水合肼分解制氢技术的核心课题，理解催化剂表面成分与催化性能的关联性规律是发展高性能催化剂的关键。本论文以具备车载/移动氢源应用前景的水合肼催化分解制氢体系为研究对象，围绕高效镍基催化剂的制备及其表面成分、结构与性能的关系开展了实验和理论研究，论文所取得的主要成果如下：(1)采用共还原法制备CeO2负载的Ni−Pt合金催化剂，

4、进而采用不同气氛（空气、NH3、H2和CO）和不同温度热处理来调控其表面组分。研究表明：当催化剂表面Ni/Pt比介于0.811.14时，催化剂的活性最优。此外，研究发现，在NH3气氛热处理下，可大幅度提高Ni−Pt/CeO2的催化活性，这很可能与在催化剂表面引入非金属元素N相关。例如，在温度为400°C和NH3气氛热处理的催化剂，对水合肼分解制氢显示出优异的催化性能，在30°C可100%催化水合肼分解制氢，具有反应速率490h−1，该催化性能达到国际前沿水平。该研究有望为发展高性能水合肼分解制氢催化剂提供新的思路与途径。(2)

5、采用溶胶溶液燃烧法和置换法合成了系列负载型Ni@Ni−Ir/meso-CeO2催化剂，研究了催化剂的成分和结构对水合肼分解制氢的影响规律。相比于已报道的Ni−Ir合金催化剂，研制的催化剂对水合肼分解制氢展示了优异的的催化性能，例如，在50oC，2MNaOH测试条件下，优化的Ni@Ni−Ir/meso-CeO2(Ni/Ir=6.53)催化剂可100%催化水合肼分解制氢，具有反应速率343h−1。设计的实验和密度泛函理论计算表明：Ni−Ir表I面合金化对改进催化剂的性能起着决定性的作用，并且肼分子的吸附构型与肼催化分解反应的制氢选择

6、性紧密相关。研究结果对高性能水合肼分解制氢催化剂的研制及其催化机理的理解具有重要的指导意义。关键词：化学储氢；水合肼；催化剂；成分调控IIAbstractHydrogenenergyisahighlyefficientandcleansecondaryenergysource.Developmentofhighlyefficientandsafehydrogenstoragematerialsandtechnologiesareofgreatsignificanceforaddressingthekeyglobalissuess

7、uchasenergyandtheenvironmentandachievingsustainabledevelopment.Duringrecentdecadesdevelopment,hydrogenstoragematerialsaremainlydividedintoreversiblehydrogenstorageandchemicalhydrogenstoragematerials.Recently,researchershaveshiftedtheirfocustochemicalhydrogenstoragema

8、terialsrepresentedbyhydrazinehydrate(N2H4·H2O).N2H4·H2Oisconsideredaspromisingchemicalhydrogenmaterialduetoitshightheoretichydrogen