稀土氧化物载体对镍基合金催化水合肼分解制氢性能的助催化作用机制研究

Hydrous hydrazine has been considered as a new generation of mobile hydrogen storage medium. The catalytic decomposition of hydrous hydrazine represents a prevailing method for hydrogen fuel cell technology widespread. And the development of efficient catalysts is the key to the implementation of this technology. The present project was designed to investigate the rare-earth oxide-supported nickel-based alloy catalysts, with special focus on the fundamental research of the co-catalytic properties and mechanism of rare-earth oxide (REOs) on promoting hydrogen generation from hydrous hydrazine. In this regard, a new type of supported catalysts, i.e., Ni(NixMy)/REOs (M= Fe, Pt, Ir, et al.), with well-defined composition and microstructure, will be synthesized. To this end, composition-and-structure-controlled synthesis of nanostructured REOs nanoparticles will be conducted by using well-established synthetic approaches. Through systematically study of the effects of a set of compositional or microstructural variables on the catalytic properties individually, it is likely to unravel the composition-microstructure-catalytic properties relationship for this type of supported catalysts and furthermore, their co-catalytic mechanism on promoting hydrogen generation from hydrous hydrazine. The present project may lay key foundation for the development of high-performance supported catalysts, and contribute to the theoretical enrichment and development of on-demand hydrogen generation from hydrous hydrazine.

水合肼被视为新一代可移动氢源，其催化分解制氢技术是推动氢燃料电池技术实用化的重要途径，而高效催化剂的研制是关键环节。本项目选取稀土氧化物负载Ni基合金催化剂为研究对象，重点围绕稀土氧化物对Ni基合金催化水合肼分解制氢的助催化作用机制这一关键基础科学问题开展研究。拟采用化学合成方法制备具有不同成分和微观结构的稀土氧化物（REOs）兼作载体和助催化剂，担载化学原位还原生成的Ni或NixMy（M=Fe、Pt、Ir等）纳米粒子，构筑载体与活性组分具有强相互作用的Ni(NixMy)/REOs催化剂。结合实验和分析表征系统研究稀土氧化物对水合肼分解制氢反应的影响规律，揭示载体助剂成分、微观结构与助催化剂性能间的关联性并探索其对水合肼分解制氢的助催化作用机制，建立载体成分/结构优化设计原则。本项目预期研究成果将为高效负载型催化剂的研制提供参考或借鉴，同时丰富和发展水合肼催化分解制氢的理论基础。

能源短缺、环境污染日益严重，亟需发展新能源，而氢能源以其高效、清洁、无污染的特点引起了广泛关注，各国大力发展氢能。而氢气的储运是氢能发展的瓶颈环节。各种储氢材料中，水合肼被视为新一代可移动氢源，其催化分解制氢技术是推动氢燃料电池技术实用化的重要途径，而高效催化剂的研制是关键环节。催化剂主要有载体和活性组分构成，目前鲜有人对载体和活性组分之间的相互作用进行探究。本项目选取稀土氧化物负载Ni基合金催化剂为研究对象，重点围绕稀土氧化物对Ni基合金催化水合肼分解制氢的助催化作用机制这一关键基础科学问题开展研究。首先探索合成了具有不同成分和微观形貌结构的氧化物，制备了具有无定形形貌结构的氧化镧，具有纳米介孔结构、四面体、八面体以及纳米棒等不同形貌的二氧化铈的制备。通过XRD表征了所制备材料的物相，通过SEM、TEM和HRTEM表征了所制备材料的形貌，通过氮气吸脱附实验表征了材料的比表面积、孔结构，通过XPS、TPR等表征了材料表面的化学态等。通过浸渍法，原位合成等不同方法制备得到了Ni/REOs催化剂，并测试了催化剂催化水合肼制氢的性能，综合对比了其制氢选择性、动力学以及耐久性。通过实验分析对比，研究并分析总结了稀土氧化物的成分、微观结构、比表面积等对镍催化水合肼分解制氢的影响规律，解析了稀土氧化物的助催化作用机制，系统研究稀土氧化物的成分、微观结构与助催化性能之间的关联性。