Cu@Ni/MoO?核壳催化剂用于高效催化肼硼烷的甲醇解反应

《Fuel》：Cu@Ni/MoO 3 core-shell catalyst for high efficiency methanolysis of hydrazine borane

高效甲醇解催化剂Cu@Ni/MoO3的开发及其对N2H4BH3的催化性能研究。该催化剂通过MoO3的电子缺乏效应和KOH促进剂作用，实现了BH3和N2H4基团的协同分解，在50°C下释放5.5当量H2，是目前最有效的催化剂。

　　

雷云峰|刘慧琳|王顺祥|何富泽|吴文达|黄永富|邹永进|朱永振|楚永森

马来西亚科学大学化学科学学院氢能储存研究小组，11800槟城，马来西亚

摘要

肼硼烷（N₂H₄BH₃）因其15.4 wt%的高氢储存能力而被认为是一种有吸引力的氢储存材料。然而，N₂H₄BH₃的甲醇解仍然是一个挑战，因为只有N₂H₄BH₃的BH₃部分可以用来产生H₂。在本研究中，我们报道了一种高效的Cu@Ni/MoO₃核壳催化剂，它能够充分利用N₂H₄BH₃中的BH₃和N₂H₄部分的氢原子，在50°C下释放出5.5当量的气体。这项研究代表了迄今为止报道的最有效的N₂H₄BH₃甲醇解催化剂。Cu@Ni/MoO₃催化剂催化活性的提高可以归因于对催化剂本身的改进，包括催化剂比表面积的增加、MoO₃诱导的Cu@Ni催化剂表面电子缺乏状态的形成，以及使用KOH作为催化剂促进剂带来的有利反应环境。低成本和高效率催化剂的发展可能促进N₂H₄BH₃作为有前景的氢储存材料的应用。

引言

全球对可再生能源需求的增加和化石燃料储备的减少，使得替代能源储存技术[1],[2],[3]成为材料科学领域[4],[5],[6]的关键研究焦点。特别是氢（H₂），由于其环境友好性、广泛的可用性和极高的能量密度[7],[8],[9],[10]，被广泛认为是最佳的能源载体。然而，与氢的安全、高效和成本效益相关的储存和运输挑战显著阻碍了其在可持续能源系统中的更广泛应用[11],[12],[13]。为了解决这些问题，化学氢储存作为一种有前景的方法出现，与传统氢储存方法相比，它提供了更高的安全性、能量密度和实用性[14],[15]。

在各种氢储存材料中，化学氢化物如氨硼烷（AB，NH₃BH₃）和肼硼烷（HB，N₂H₄BH₃）因其较高的氢含量（19.6 wt%和15.4 wt%）以及在常温条件下的稳定性[16],[17]而成为固态储存材料的候选者。通常，这些化学氢化物中的氢可以通过热解[18]、水解[19]或醇解[20]提取。热解脱氢需要较高的热输入，而水解和醇解脱氢通常在相对温和的条件下甚至是在常温下进行。与涉及水的水解相比，醇解中使用的甲醇在极低温度条件下的应用具有额外的优势，因为它的冰点较低。在各种醇中，甲醇因其轻质而成为最有前途的候选者。因此，化学氢化物的甲醇解已成为按需生产氢的热门研究课题。

虽然AB的水解和甲醇解是通过快速断裂B–H键产生3摩尔H₂的简单过程，但它们固有的问题是由于氨（NH₃）的同时释放。这种问题副产物源于N–H部分的保留，严重影响了氢的纯度和催化剂的稳定性，成为实际应用的主要障碍（方程式（1），（2）[21],[22],[23],[24]。对于HB来说，其BH₃部分的水解和甲醇解与AB类似（方程式（3），（4））。有趣的是，在适当的催化剂存在下，可以通过选择性地将N₂H₄转化为N₂和H₂（方程式（5）来克服反应过程中不希望产生的N₂H₄副产物，理论上每摩尔HB可以产生多达5摩尔H₂[25]。因此，HB生成大量可用氢的能力使其成为氢储存应用的吸引材料。然而，要实现高效和可控的氢释放，需要解决不完全和不希望的分解问题[26]。特别是，由于N₂H₄部分分解产生的氨副产物是一个关键问题（方程式（6）），因为它会影响氢储存系统的效率和稳定性。