NbBi合金纳米颗粒负载在碳纳米管上作为催化剂，在硼氢化钠催化甲醇分解过程中表现出协同效应

基于碳纳米管支撑的铌铋合金催化剂制备及性能研究，采用化学还原法制备NbBi/CNT催化剂，通过XRD、XPS、HR-TEM等表征其结构特性，Nb50Bi50/CNT催化剂在60℃、0.15g NaBH4条件下氢生成速率达28015.2 mL/min·gcat，活化能17.89 kJ/mol最优。

　　

穆斯塔法·朱玛·阿巴斯·阿巴斯（Mustafa Jummah Abbas Abbas）|艾库特·贾格拉尔（Aykut Caglar）|希拉尔·基夫拉克（Hilal Kivrak）

埃斯基谢希尔奥斯曼加齐大学化学工程系，土耳其埃斯基谢希尔26040

摘要

在本研究中，通过化学还原法制备了碳纳米管（CNT）负载的金属（Nb和Bi）合金，用于从硼氢化钠（NaBH₄）的甲醇分解中产氢。采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、程序升温还原（TPR）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）等物理表征技术，研究了这些催化剂的结构和形态特性。分别考察了不同原子比值的Nb/CNT、Bi/CNT和NbBi/CNT催化剂在NaBH₄甲醇分解中的催化性能。结果表明，Nb₅₀Bi₅₀/CNT催化剂在产氢速率（HGR）方面优于其他合成催化剂，其在最佳条件（25°C、10 mL甲醇、0.15 g NaBH₄）下的产氢速率为28015.2 mL/min·g_cat，活化能（E_a）为17.89 kJ/mol。

引言

为应对全球变暖和满足能源需求，减少化石燃料的使用并投资于替代能源的研究至关重要[1][2]。超级电容器、电池、燃料电池和基于氢的能源转换与储存技术受到了广泛关注[3][4][5]。氢作为一种具有高能量密度（142 MJ/kg）的替代能源，是一种有前景的清洁能源，可以替代化石燃料，解决能源和环境问题[6][7][8][9][10]。氢还可以用于交通运输、工业和供暖等难以实现零排放的领域，帮助在2050年前实现减排目标[11][12]。氢可以通过电解、蒸汽重整和部分氧化等多种方法制备[13][14][15]。尽管方法多样，但建立必要的基础设施和降低生产成本对于实现可持续能源解决方案至关重要[16]。氢的储存方法包括化学氢化物转化。与其他化学储氢材料相比，NaBH₄因其不可燃、无毒、高储氢容量以及快速可控的产氢能力而脱颖而出[17]。研究人员主要研究NaBH₄的甲醇分解反应，因为该反应可在低温下进行[18]。NaBH₄的甲醇分解反应生成4H₂和四甲氧基硼酸钠（NaB(OCH₃)₄，反应方程如下： $\backslash mi\{NaB$₄ + 4\mi{H₂ \rightarrow \mi{NaB(OCH₃)₄ + 4\mi{H_{+ $\backslash mi\{NaB$4}\cdot 4\mi{H₂\cdot \mi{OH\frac{\mi{NbBi}{\mi{CNT}} 反应条件为25°C～60°C和10 mL甲醇。 文献中报道了多种用于NaBH₄甲醇分解产氢的催化剂，包括无金属催化剂、不同载体材料及金属合金。例如废弃咖啡渣[20]、CuFe₂O₄[21]、Au/Co/Zn/eggshell[22]和ZrO₂/MoO₃[23]等，这些催化剂在NaBH₄甲醇分解中的催化活性已被研究。此外，还开发了多种使用不同载体材料（如TiO₂、Ni泡沫、Al₂O₃、碳和CNT）的金属合金催化剂（表1）。CNT在燃料电池和超级电容器等领域也有广泛应用，其优异的性能（如大表面积、热稳定性和导电性）使其备受关注[24]。但由于贵金属供应有限且成本高昂，因此较少使用。因此，低成本、高产量的过渡金属成为研究重点[25]。 本研究开发的以CNT为载体的催化剂在NaBH₄甲醇分解产氢方面具有重要意义，其低成本和高催化性能尤为突出。特别是将Nb和Bi引入双金属结构中，可以促进界面电子相互作用，从而调节催化路径并降低反应能垒。本文制备了不同原子比值的NbBi/CNT催化剂，并通过SEM-EDX、XRD、XPS和TPR对其进行了结构分析。在标准条件（50 mg催化剂、10 mL甲醇、30°C）下，Nb₅₀Bi₅₀/CNT催化剂表现出最佳催化性能。通过动力学研究（不同温度、甲醇量、催化剂量和NaBH₄量）进一步验证了其催化效果，并根据阿伦尼乌斯方程计算了活化能（E_a）。

催化剂合成

NbBi/CNT催化剂通过化学还原法制备。首先将不同原子比（90:10、70:30、50:50和30:70）的NbCl₅（99.8%）和Bi(NO₃)₃·5H₂O（99.99%）前驱体加入蒸馏水（pH约7）中，并在超声浴中处理至金属前驱体均匀分散。随后加入商业化的CNT（碳含量超过95%，直径50-90 nm）作为载体材料。

物理表征

对Nb₅₀Bi₅₀/CNT催化剂进行了SEM-EDX和元素分析，观察到CNT结构清晰可见，虽未发现金属纳米颗粒聚集现象，但EDX和元素分析确认了C、Nb和Bi的存在，表明获得了所需结构的催化剂。XRD分析用于检测其晶体结构。

结论

总之，本研究合成了用于NaBH₄甲醇分解产氢的CNT负载NbBi纳米催化剂。通过SEM-EDX、XRD、XPS、TPR和HR-TEM等物理表征技术，研究了这些催化剂的表面形态、晶体结构和电子态。XRD衍射峰的移动以及XPS结合能的变化，结合HR-TEM分析结果（未发现明显的Bi特征），证实了所制备催化剂的性能。

作者贡献声明

希拉尔·基夫拉克（Hilal Kivrak）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、软件使用、资源协调、方法设计、实验实施、资金申请及数据分析。 艾库特·贾格拉尔（Aykut Caglar）：负责初稿撰写、数据验证、资源管理、方法设计、实验实施及数据分析。 穆斯塔法·朱玛·阿巴斯·阿巴斯（Mustafa Jummah Abbas Abbas）：负责资源协调、方法设计、实验实施及数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。