限域于多孔金属有机框架内的金属纳米粒子的可控制备及其催化裂解化学氢存储材料研究

氢能作为一种清洁、高效、可持续的新能源，展示出诱人的应用前景，探索便于运输和贮存的化学氢存储材料与在温和条件下裂解这些材料制备高纯氢气的方法是氢能利用的关键。本项目以多孔金属有机框架为模板，利用其晶态有序的纳米孔道限域制备金属纳米粒子，并以其催化裂解三种化学氢存储材料-甲酸、水合肼和硼烷氨来制备氢气。在该过程中，主要涉及多孔金属有机框架的合成、多孔金属有机框架限域的金属纳米粒子的合成以及催化裂解化学氢存储材料三个方面。研究金属纳米粒子的种类、担载量、形态以及金属纳米粒子与多孔金属有机框架的相互作用对金属纳米粒子催化性能的影响，从中筛选出有应用前景的金属纳米催化剂。

氢气作为一种清洁、高效的新能源，展示出诱人的应用前景，开发含氢量高、易于存储的化学氢存储材料与裂解这些材料产生高纯氢气的方法是氢能利用的关键。本项目针对含氢量高的三种液相化学氢存储材料（甲酸、水合肼和硼烷氨）的不同化学特性，以新型多孔有机框架（简称MOF）和多孔碳材料为载体，制备了一系列具有不同微观结构的负载型金属纳米粒子，并以其催化裂解三种液相化学氢存储材料制备符合燃料电池应用标准的高纯氢气，并从原子、分子和纳米尺度上探明了催化剂的微观结构与制氢性能之间的内在关系。项目的研究内容和目标已全部完成，主要研究结果如下：.（1）设计合成了一系列介孔MOF和多孔碳导向的负载型AuPd合金纳米催化剂，并研究了它们催化分解甲酸的性能。TEM测试表明，AuPd纳米粒子在两种载体上具有良好的分散性和均匀的粒径分布；性能研究表明，基于MIL-101(Al)的AuPd催化剂在50 oC显示了高的催化氢活性和100%的H2选择性，碱性氨基酸为结构导向剂的碳基AuPd催化剂在室温下显示了很高的催化活性和100%的H2选择性。大量的对比实验表明，催化剂中的碱性官能化基团在诱导高性能催化的过程中发挥了重要作用。.（2）利用MOF的结构可调性和孔道内表面的易修饰性以及添加剂对催化水合肼分解制氢的内在影响，设计合成了一系列MOF负载的PtNi双金属纳米催化剂。性能研究表明，含氨基的PtNi催化剂能够在室温下高效催化水合肼分解产生高纯氢气，碱性添加剂NaOH对催化水合肼分解制氢有很大影响。.（3）分别采取三种催化剂制备方法，即硼氢化钠和硼烷氨共还原法、硼烷氨还原法和硼氢化钠还原法，以氮掺杂的多孔碳和非掺杂的碳纳米管为载体，制备了一系列AuCo和AuNi双金属纳米催化剂。催化性能研究表明，硼氢化钠和硼烷氨共还原法制备的双金属纳米催化剂显示了最高的催化活性，随着温度的提高，催化剂的活性大幅提升，而且催化剂具有良好的循环使用性能。