研究论文

氮掺杂中空碳球负载钴纳米粒子催化氨硼烷制氢

  • 赵颖 a ,
  • 李修刚 , b, * ,
  • 卢章辉 , a, *
展开
  • a 江西师范大学 化学与材料学院/江西省教育厅绿色催化重点实验室 南昌 330022
  • b 铜仁学院 材料与化学工程学院 铜仁 554300

收稿日期: 2025-09-28

  网络出版日期: 2026-01-12

基金资助

国家自然科学基金(22162014)

江西省自然科学基金(20252BAC250037)

贵州省自然科学基金(ZK[2023]466)

铜仁市博士人才项目([2023]7)

N-doped Hollow Carbon Spheres Supported Co Nanoparticles for Hydrogen Production from Ammonia Borane

  • Zhao Ying a ,
  • Li Xiugang , b, * ,
  • Lu Zhang-Hui , a, *
Expand
  • a Key Laboratory of Green Catalysis of Jiangxi Education Institutes, College of Chemistry and Materials, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China
  • b College of Material and Chemical Engineering, Tongren University, Tongren 554300, China

Received date: 2025-09-28

  Online published: 2026-01-12

Supported by

National Natural Science Foundation of China(22162014)

Jiangxi Provincial Natural Science Foundation(20252BAC250037)

Natural Science Foundation of Guizhou Province(ZK[2023]466)

Doctoral Talents Project of Tongren City([2023]7)

摘要

氮掺杂中空碳材料因其较低的密度、较高的比表面积、高效的传质性能以及丰富的氮物种等结构优势, 被认为是一种极具潜力的催化剂载体, 能够有效稳定并分散金属活性中心. 本研究以二氧化硅(SiO2)纳米球为硬模板, 首次采用溶剂热法在模板表面构建卟啉基有机框架(POFs)包覆层, 再通过高温热解结合碱刻蚀处理, 成功合成出具有中空结构的氮掺杂碳球(NHCS). 通过系统研究热解温度对材料物理和化学性质的影响, 发现800 ℃热解所得NHCS800样品具有最优的结构稳定性以及最丰富的表面缺陷位点. 通过简单的浸渍还原法, 将Co纳米粒子均匀分散在载体表面, 制得Co/NHCS800催化剂. 表征结果显示, 催化剂中钴纳米粒子的平均尺寸约为2.5 nm, 显著小于无载体存在时形成的钴颗粒. 在催化氨硼烷醇解制氢反应中, Co/NHCS800表现出优异的催化性能, 其转换频率(TOF)值高达57.9 min−1. 该高催化性能可归因于载体较大的比表面积、金属纳米粒子的高度分散性以及氮物种与金属间存在的强电子转移效应.

本文引用格式

赵颖 , 李修刚 , 卢章辉 . 氮掺杂中空碳球负载钴纳米粒子催化氨硼烷制氢[J]. 化学学报, 2026 , 84(3) : 316 -323 . DOI: 10.6023/A25090327

Abstract

Nitrogen-doped hollow carbon materials are regarded as a highly promising catalyst support, owing to their structural advantages such as low density, high specific surface area, efficient mass transfer performance, and abundant nitrogen species, which collectively contribute to effectively stabilizing and dispersing metal active sites. In this work, for the first time, a nitrogen-doped hollow carbon spheres (NHCS) was synthesized by coating SiO2 nanospheres with a porphyrin-based organic frameworks (POFs) via a solvothermal method, followed by high-temperature pyrolysis and alkaline etching treatment. The influence of pyrolysis temperature on the physical and chemical properties of the material was systematically investigated. Results indicate that NHCS800, pyrolyzed at 800 ℃, exhibited optimal structural stability and the most abundant surface defect sites. The Co/NHCS800 catalyst was prepared by uniformly dispersing cobalt nanoparticles on the support surface via a simple impregnation-reduction method. Characterization results revealed that the average size of the cobalt nanoparticles in the catalyst was approximately 2.5 nm, which was significantly smaller than that of cobalt particles formed in the absence of the support. For the catalytic dehydrogenation of ammonia borane (AB) via methanolysis, the Co/NHCS800 catalyst was ultrasonically dispersed in a single-neck round-bottom flask containing 5 mL of methanol. The flask was fixed in a constant-temperature water bath maintained at 25 ℃. Once the temperature stabilized, 1.0 mmol of AB was rapidly added under vigorous stirring. The time required to generate every 5 mL of hydrogen gas was recorded until gas evolution ceased. The Co/NHCS800 catalyst demonstrated a remarkably high turnover frequency (TOF) value of 57.9 min−1 for the methanolysis of ammonia borane. The catalysts were comprehensively characterized throughout the synthesis process using scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Raman spectroscopy, and nitrogen adsorption-desorption measurements to monitor their morphological and structural evolution. The interaction between the metal and support was further investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The analysis indicates that the superior catalytic activity can be attributed to the large specific surface area of the support and the presence of ultrafine metal nanoparticles, as well as the strong electron transfer effect between nitrogen species and metal atoms.

1 引言

氢能作为应对能源与环境挑战的重要清洁能源, 其战略地位正随着各类新能源技术的迅猛发展而日益凸显. 实现氢能大规模工业应用的关键在于开发具有高效和可持续性的制氢技术[1-3]. 然而, 储氢材料系统的安全性及可控性不足, 效率低下, 仍然是制约氢能在商业层面广泛应用的主要原因. 在众多储氢方案中, 具有高储氢密度的化学储氢材料被视为理想的氢载体[4-8]. 其中, 氨硼烷(NH3BH3, AB)因其突出的优势受到学界重点关注, 其储氢密度高达19.6% (w), 兼具优良的物理化学稳定性, 且能在温和条件下释放氢气[9-12]. 目前, 氨硼烷制氢主要可通过热解[13]、水解[14]及醇解[15]三种途径实现. 相较而言, 醇解制氢因产物氢气纯度高、副产物易于循环利用, 并具备低温应用的潜力, 被认为是最具实用价值的制氢方法之一.
在过去十几年中, 研究者开发了大量基于贵金属(如Pt[16]、Rh[17-21]、Ru[22-24]等)的纳米粒子催化剂用于此反应. 这些贵金属催化剂虽然具有极高的催化活性, 但其资源稀缺性和高昂成本严重制约了其实际应用. 为缓解这一问题, 研究者致力于发展贵金属/非贵金属合金催化剂, 旨在降低贵金属用量[25-27]. 尽管该类合金体系借助组分间的合金化相互作用及金属-金属协同效应, 能够显著增强其催化性能, 但该方法依然未能从根本上缓解贵金属资源稀缺的现实困境. 因此, 开发具有高催化效率的非贵金属催化剂[28], 成为推动氨硼烷制氢技术走向工业化应用的关键挑战之一[29]. 此外, 超细金属纳米粒子通常具有极高的表面能, 导致其在制备及催化反应过程中极易发生团聚, 形成大尺寸颗粒[13]. 这种现象不仅会引发催化剂活性急剧衰减, 也显著损害其循环稳定性. 为解决此问题, 将金属纳米粒子锚定或限域于特定的多孔载体(例如有机分子笼[18]、多孔碳材料[30]、石墨烯[31]、氧化物[32-36]等)中, 是提升催化剂稳定性的关键策略.
氮掺杂中空碳球(Nitrogen-doped Hollow Carbon Spheres, NHCS)不仅拥有碳材料优异的物理化学稳定性, 还具有普通碳材料不具备的多种特性. 首先, 该类碳材料密度极低, 可以达到50 mg•cm−3; 其次, 该碳材料比表面积大, 且丰富的孔道结构可以使用特定的方法调节. 另外, 超薄的碳层, 有利于反应传质; 最后, 高氮含量为金属粒子的稳定提供了丰富的锚定位点[37-41]. 综合上述碳材料的各种特性, 其作为催化剂载体具有极其广泛的应用前景.
为此, 本工作将二氧化硅(SiO2)纳米球作为硬模板,首次将卟啉框架化合物包覆于SiO2表面, 再经过高温热解和碱刻蚀, 成功合成了一系列不同物理性质的氮掺杂中空碳球(NHCS). 将其作为载体, 通过简单的浸渍还原法, 成功制备出了非贵金属催化剂Co/NHCS. 将该催化剂用于催化氨硼烷醇解制氢, 其在室温下表现出优异的催化活性, 转换频率(TOF)值超过之前所有的催化剂. 此外, 还系统考察了热解温度、钴负载量以及反应温度等关键参数对其催化性能的影响规律.

2 结果与讨论

2.1 催化剂的表征

2.1.1 催化剂的形貌

催化剂Co/NHCS800的制备流程如图1(a)所示, 首先, 以SiO2作为硬模板, 在其表面包覆卟啉框架材料(POFs, 合成示意图见支持信息的图S1), 形成具有核壳结构的SiO2@POF复合材料. 随后, 在800 ℃惰性气氛下对该复合材料进行高温热解, 得到氮掺杂碳包覆的SiO2微球(SiO2@POF-NCS800). 接着用一定浓度的氢氧化钠溶液刻蚀去除SiO2模板, 得到目标载体氮掺杂中空碳球(NHCS800). 最后, 采用超声辅助浸渍还原法将钴纳米颗粒负载于NHCS800载体上.
图1 (a) Co/NHCS800的合成示意图; (b~e) SiO2、SiO2@POF、SiO2@POF800、NHCS800的TEM图像; (f) Co/NHCS800的TEM图像和相应粒径分布图; (g) Co/NHCS800的高分辨TEM图像; (h) Co/NHCS800的高角度环形暗场扫描透射显微镜(HAADF-STEM)及能量分布面扫描分析(EDS mapping)图像

Figure 1 (a) Schematic of Co/NHCS800 synthesis; (b~e) TEM images of SiO2、SiO2@POF、SiO2@POF800、NHCS800; (f) TEM image of Co/NHCS800 and the corresponding particle size distribution. (g) High-resolution TEM image of Co/NHCS800; (h) HAADF-STEM and energy distribution surface scanning analysis (EDS mapping) images of Co/NHCS800

图S2(见支持信息)为前驱体SiO2、SiO2@POF、SiO2@POF-NCS800及NHCS800的扫描电子显微镜(SEM)图像. 如图S2(a)所示, 所制备的SiO2呈均匀球形, 直径约为200~300 nm, 且表面光滑. 从图 S2(b)中可以观察到, 经POF包覆后, SiO2纳米球表面成功构筑出一层连续且均匀的包覆层, 证实包覆过程成功. 图 S2(c)为热解处理后的SiO2@POF-NCS800, 其表面包覆层依然保持均匀完整, 说明SiO2纳米球表面的包覆结构在热解过程中未被破坏. 最终, 经碱液刻蚀移除SiO2内核后, 如图S2(d)所示, 所得氮掺杂中空碳球(NHCS800)仍维持完整的中空球形结构.
图1(b~e)分别为前驱体SiO2、SiO2@POF、SiO2@POF-NCS800及NHCS800的透射电子显微镜(TEM)图像. 其形貌特征与SEM图像(图S2)一致. 图 1(f)为催化剂Co/NHCS800的TEM图像(插图为Co纳米粒子粒径分布图), 可见, Co纳米粒子均匀分散于NHCS800载体表面, 平均粒径约为3.2 nm. 在Co/NHCS800的高分辨透射电镜(HRTEM)图像中, 如图1(g), 可以观察到金属纳米颗粒的晶格间距为0.204 nm, 对应Co的(111)晶面. 图1(h)为Co/NHCS800的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像及相应的能量色散谱面扫描(EDS mapping)结果, 进一步证实超细Co纳米粒子在载体表面均匀分布. 图S3(见支持信息)为未负载载体的Co纳米粒子的TEM图像, 其平均粒子尺寸约为36.1 nm, 粒子尺寸较大的主要原因是缺少载体的锚定, 导致金属纳米粒子因其高表面能而团聚.

2.1.2 催化剂的物相分析

利用X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FT-IR)表征了材料合成过程中化学结构与晶相的演变. 如图S4(见支持信息)所示, SiO2、SiO2@POF与SiO2@NC800均在2θ=22°附近出现归属于SiO2(111)晶面的特征衍射峰. 而刻蚀处理过后所得的NHCS800中, SiO2的特征衍射峰消失, 且在2θ=24°和43°附近出现石墨碳的(002)和(101)晶面两个宽化衍射峰. 图2(a)为NHCS800与Co/NHCS800的XRD对比图. 由于Co纳米粒子尺寸较小, 在XRD图中并未观察到Co的特征衍射峰(44°). 图 S5(见支持信息)为不同前驱体的红外光谱图. 在SiO2中, 位于800、1102和3445 cm−1处的吸收峰分别归属于Si—O、Si—O—Si及Si—OH键的振动特征[42]. 经POF包覆后, 在3240 cm−1处出现归属于卟啉框架中N—H键的伸缩振动吸收峰[42], 表明成功将POF材料引入复合材料中. 热解处理后, 该特征峰在SiO2@NC800中消失, 说明N—H官能团在高温热解过程中已转化为其他类型的氮物种. 进一步刻蚀得到的NHCS800中, SiO2的特征峰消失, 表明SiO2被有效去除.
图2 (a) NHCS800和Co/NHCS800的XRD谱图; (b) NHCS700、NHCS800和NHCS900的Raman谱图; (c) NHCS800和Co/NHCS800的N2吸 附-脱附等温曲线; (d) NHCS800和Co/NHCS800的孔径分布图

Figure 2 (a) XRD patterns of NHCS800 and Co/NHCS800; (b) Raman spectra of NHCS700, NHCS800 and NHCS900; (c) N2 adsorption-desorption isothermal curves of NHCS800 and Co/NHCS800; (d) Pore size distribution curves of NHCS800 and Co/NHCS800

为探究热解温度对氮掺杂中空碳球形貌与结构的影响, 将前驱体分别于700、800和900 ℃下热解, 再经碱刻蚀制备的氮掺杂中空碳球, 分别标记为NHCS700、NHCS800和NHCS900. SEM图像, 如图S6(见支持信息)显示, NHCS700和NHCS800表面完整, 并未出现明显破裂, 而NHCS900表面则出现明显破裂, 导致外层破裂的主要原因是热解温度过高, 表面碳层变薄, 直至出现破裂. 利用Raman光谱分析不同温度制备的氮掺杂中空碳球. 如图2(b)所示, 观察到位于1585 cm−1(G带)和1324 cm−1(D带)的两个特征峰, 分别对应石墨化碳结构以及由晶格缺陷引起的无序碳[43-44]. 其中, NHCS800的ID/IG比值最大, 表明其含有最丰富的缺陷位点. 丰富的缺陷位点为金属纳米粒子提供了充足的锚定位点[45]. 通过氮气吸-脱附测试对NHCS系列材料的比表面积与孔结构进行了表征. 结果如图 S7(见支持信息)所示, NHCS700、NHCS800和NHCS900的BET比表面积和孔容分别为341.1 m2•g−1和0.25 cm3•g−1、375.0 m2•g−1和0.44 cm3•g−1, 以及275.9 m2•g−1和0.21 cm3•g−1[42]. 其中, NHCS800相较于其它两个热解温度, 其比表面积和孔容均为最大, 其原因是较低温度下孔结构未能充分形成, 而过高热解温度则导致中空碳球壁结构发生坍塌. 孔径分布分析表明, 所有样品均具有介孔和大孔的多级孔结构. 2~4 nm的介孔为氮掺杂碳球壁中的碳基质本身具有的孔道性质, 大孔则源于其中空腔体结构. 基于其优异的结构特性, NHCS800被选为后续催化反应中的载体材料. NHCS800负载Co纳米粒子后, 比表面积和孔容分别降低至333.9 m2•g−1和0.41 cm3•g−1(图2(c)和2(d)), 比表面积以及孔容降低的原因是负载Co纳米粒子后堵塞了载体的部分孔道.

2.1.3 X射线光电子能谱(XPS)分析

采用X射线光电子能谱(XPS)对所得催化剂材料的元素化学状态及其相互作用进行了研究. 图3(a)展示了NHCS800和Co/NHCS800的XPS全谱, 可见两者均含有C, N和O三种元素, Co元素只存在于Co/NHCS800中. 在图3(b)中NHCS800的C 1s高分辨谱, 可分峰拟合为三个组分, 分别归属于C—C/C=C、C—N和C=N键. 对比发现, NHCS800与Co/NHCS800中C—C/C=C与C—N键的结合能未发生明显位移, 而C=N键的结合能则由288.1 eV正移至288.3 eV, 说明C=N键表现出给电子效应, 该现象可归因于吡啶氮的电子共振转移.
图3 NHCS800和Co/NHCS800的XPS谱图: (a)全谱; (b) C 1s谱; (c) N 1s谱和(d) Co和Co/NHCS800的Co 2p XPS谱图

Figure 3 XPS spectra of NHCS800 and Co/NHCS800: (a) full spectra; (b) C 1s spectra; (c) N 1s spectra and (d) Co 2p XPS spectra of Co and Co/NHCS800

图3(c)所示, 与NHCS800相比, Co/NHCS800中吡啶氮和吡咯氮的结合能分别由398.1 eV和399.4 eV增至398.3 eV和399.6 eV[42]. 同时, 从图3(d)可看出, Co纳米粒子和 Co/NHCS800的Co2p轨道主要以单质态为主, 还有部分为氧化态, 这主要是由于钴纳米颗粒在XPS测试前制样和样品转移过程中表面氧化所致. 相较于纯Co纳米粒子, Co/NHCS800中Co(0) 2p3/2和Co(0) 2p1/2轨道的结合能则由778.5 eV和793.5 eV降低至778.1 eV和793.1 eV[42]. 上述结合能变化表明, 电子从氮物种向Co纳米粒子发生了转移, 证实了金属和载体之间存在相互作用. 此类富电子态的Co纳米颗粒能够有效削弱氨硼烷中B—N键的强度, 促进B—N及B—H键的断裂[15].

2.2 催化氨硼烷醇解性能研究

为探究载体对钴纳米催化剂在氨硼烷(AB)醇解制氢反应中的影响, 对比了不同载体负载钴纳米粒子催化氨硼烷醇解测试. 图4(a)4(b)分别为不同载体负载Co纳米粒子的性能曲线图及对应的TOF值图. 从图中可以看出, Co、 Co/POF-NC800和Co/SiO2@NC800的TOF值分别为8.5、11.7和20.8 min−1. 相对于前三者, Co/NHCS800的催化性能最佳, TOF值高达57.9 min−1, 这是迄今为止报道的用于AB甲醇解反应的最高效的非贵金属催化剂(表S1, 见支持信息). Co/NHCS800相对较高的催化活性可归因于载体对金属的分散, 及其中空结构缩短了底物的扩散距离, 以及载体氮物种与金属之间的电子转移效应. 图S8(见支持信息)为Co/NHCS催化AB醇解制氢曲线, 催化剂的主要区别在于载体热解温度不同. Co/NHCS700、Co/NHCS800和Co/NHCS900的TOF值分别为39.8、57.9和45.4 min−1, 证实NHCS800负载的催化剂活性最高. Co/NHCS800的高活性主要源于载体完整稳定的形貌结构以及丰富的孔结构和载体氮物种对金属的分散作用. 图S9(见支持信息)为Co/NHCS800催化AB醇解性能. 其主要区别在于Co负载量不同, 随着负载量增加, 催化剂的TOF值呈现出火山型曲线的变化趋势, 其中15% (w)为最佳负载量.
图4 (a) Co负载不同载体催化剂催化氨硼烷醇解制氢性能; (b)相应TOF值; (c)不同催化剂初始浓度下Co/NHCS800催化氨硼烷醇解制氢性能及ln [Co] vs. ln k拟合线; (d)不同氨硼烷初始浓度下Co/NHCS800催化氨硼烷醇解制氢性能及ln [AB] vs. ln k拟合线

Figure 4 (a) Time course plots of H2 generation for the methanolysis with different catalyst; (b) The corresponding TOF value; (c) Time course plots of H2 generation for methanolysis of AB over Co/NHCS800 with different initial catalyst concentrations and ln [Co] vs. ln k plot.; (d) Time course plots of H2 generation for methanolysis of AB over Co/NHCS800 with different initial AB concentrations and ln [AB] vs. ln k plot

为深入理解Co/NHCS800催化氨硼烷(AB)醇解的机理, 探究了催化剂浓度、AB浓度及反应温度对其制氢动力学的影响. 如图4(c), 4(d)图5(a)所示, 制氢速率随催化剂初始浓度增加而显著提高. ln k与ln [Co]呈线性关系, 斜率为1.24, 证实反应对催化剂浓度呈近一级关系. ln k与ln [AB]呈线性关系, 斜率为-0.04, 表明该醇解反应对AB浓度近似为零级, 氢气生成速率与AB初始浓度无关. 此外, AB醇解制氢速率随温度升高而升高, 如图5(a)所示. 根据Arrhenius方程算出, Co/NHCS800催化AB醇解表观活化能(Ea)为27.8 kJ•mol−1. 该数值相较于已报道的大多数非贵金属催化剂(表S1, 见支持信息), 其活化能处于较低水平, 凸显了Co/NHCS800的优势.
图5 (a)不同温度下Co/NHCS800催化氨硼烷醇解制氢性能和相应的Arrhenius曲线及TOF值; (b) Co/NHCS800催化氨硼烷醇解制氢的循环稳定性测试; (c) Co/NHCS800催化氨硼烷醇解的同位素标记实验; (d) Co/NHCS800催化AB醇解机制

Figure 5 (a) Time course plots of H2 generation from the methanolysis of AB over Co/NHCS800 at different temperature and the corresponding Arrhenius plot and TOF value; (b) Durability test for the methanolysis of AB over Co/NHCS800; (c) Isotope-labeled experiments for methanolysis of AB catalyzed by Co/NHCS800; (d) Possible mechanism of AB methanolysis catalyzed by Co/NHCS800

循环稳定性是评估催化剂性能的一项关键指标, 其优劣直接关系到催化剂的实际应用成本. 如图5(b)所示, 对Co/NHCS800催化氨硼烷(AB)醇解反应进行的循环稳定性测试结果反映, 该催化剂表现出良好的稳定性, 5次循环后仍保留70%的初始活性. 反应后催化剂的TEM表征, 如图 S10(见支持信息)所示, 其中空球状结构维持良好, 但Co纳米粒子的平均粒径微增至3.6 nm. 电感耦合等离子体(ICP)测试表明循环后有少量Co损失(1.13% (w)). 因此, Co纳米粒子的团聚和损失, 是造成循环稳定性下降的主要原因.
为探究AB醇解制氢反应过程中的机理, 阐明AB和甲醇部分化学键在反应中的作用, 本研究通过同位素标记实验, 对其进行探索. 实验中将NH3BD315NH3BH3作为标记底物替代NH3BH3, 以CD3OD替代CH3OH, 保持同样的反应条件进行催化反应, 以探究同位素取代对反应动力学的影响. 实验结果如图5(c)所示, 首先对比了不同同位素标记的NH3BH3在CH3OH中醇解的速率, 结果发现与NH3BH3相比, NH3BD315NH3BH3的醇解速率并未出现明显下降, 并通过计算得出NH3BD3的同位素效应常数(KIE)为1.09, 15NH3BH3的KIE为1.07. 根据测试结果得出, 氨硼烷醇解的快速步骤为B—H和B—N键的断裂[42]. 另外对比了AB在CH3OH和CD3OD中醇解的速率, 结果表明, 在CH3OH中醇解速率快得多, 其KIE常数为5.67, 说明CH3OH中O—H键的断裂是AB醇解反应的决速步骤(RDS).
图5(d)揭示Co/NHCS800催化AB甲醇解可能的释氢机制. 在第一步中, AB分子被吸附在吡啶-N稳定的Co纳米颗粒上. 随后, 通过甲醇对AB分子的硼原子的攻击, 可以形成活化复合物(III), 通过甲醇中O—H键和AB中B—H键分别断裂放出的两个氢原子组合释放出一个H2分子, 其中甲醇中O—H键的断裂是AB醇解反应的RDS. 三个甲醇分子的进一步攻击导致烷氧基硼酸盐(NH4B(CH3O)4)的形成(IV). 最后, 催化剂Co/NHCS800(I)可通过NH4B(CH3O)4的脱附再生.

3 结论

本研究发展了一种新策略合成具有中空结构的氮掺杂碳球, 通过硬模板法, 再经热解和刻蚀制备了NHCS800. 将其作为载体用于负载超细Co纳米粒子, 从而构建出Co/NHCS800催化剂. 通过透射电镜和元素EDS表征证实了平均粒径为2.5 nm的Co纳米粒子均匀分散在载体表面. 载体中的氮物种不仅可作为有效的金属锚定位点, 提高了金属的分散性, 还通过氮-金属间强相互作用, 显著促进了氨硼烷醇解反应的进行. 其中Co/NHCS800表现出最优的催化性能, 其TOF值高达57.9 min−1. 该催化剂优异的催化性能主要归因于载体稳定的结构对金属的锚定和分散作用, 以及载体氮物种与活性金属间的电子转移. 本研究为设计出高效且稳定的氨硼烷醇解催化剂提供了新思路.

4 实验部分

4.1 催化剂的制备

二氧化硅纳米球(SiO2)的制备采用改进的Stober 法[46]. 首先, 将75 mL乙醇、10 mL去离子水和3.15 mL氨水混合均匀, 并在持续搅拌条件下迅速加入6 mL正硅酸乙酯(TEOS), 于室温持续反应1 h. 反应结束后, 对产物进行离心分离, 用去离子水多次洗涤, 最终, 置于烘箱干燥处理得到SiO2纳米球.
采用溶剂热策略合成卟啉框架包覆二氧化硅复合材料(SiO2@POF). 首先, 将400 mg SiO2分散于30 mL丙酸溶剂中, 经超声处理2 h使其充分分散. 随后, 加入57.2 mg 1,4-吡嗪二羧醛、300 mg 2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(DDQ)及0.1 mL三氟化硼乙醚络合物, 待完全溶解, 向上述反应体系加入0.7 mL吡咯, 吡咯添加完毕后, 先在室温条件下继续反应2 h, 随后将反应体系升温至130 ℃, 维持12 h进行溶剂热反应, 最终得到黑色反应混合物. 待体系冷却至室温后, 通过抽滤收集黑色固体产物, 用二氯甲烷和乙醇洗去杂质, 最终获得纯净的目标复合材料SiO2@POF. POF的合成与上述步骤一致, 只是在合成过程中未加入SiO2模板.
采用高温热解与模板刻蚀相结合的策略制备氮掺杂中空碳球(NHCS). 首先, 将1.0 g SiO2@POF前驱体置于瓷舟中, 在氩气保护下以5 ℃•min−1的升温速率程序升温至设定温度(700、800以及900 ℃), 并分别保温热解3 h, 制得以二氧化硅为模板核、氮掺杂多孔碳包覆的复合物SiO2@POF-NC-T (T=700、800以及900 ℃). 随后, 取500 mg上述碳化产物, 置于100 mL单口瓶内, 并加入30 mL浓度为3 mol•L−1的氢氧化钠溶液于60 ℃水浴中反应24 h, 以完全除去SiO2模板. 反应结束后, 将产物抽滤, 并用去离子水反复洗涤至滤液呈中性(pH=7), 随后在70 ℃下干燥24 h, 最终得到不同温度系列下的氮掺杂中空碳球, 分别记为NHCS700、NHCS800和NHCS900. 将纯POF在上述条件下热解得到POF-CN-T (T=700、800以及900 ℃).
催化剂钴负载氮掺杂中空碳球(Co/NHCS800), 采用简单的浸渍还原法制得. 将上述制得的NHCS800粉末分散在含有4 mL无水甲醇的双口烧瓶中, 在室温下超声30 min, 以充分分散载体, 接着向双口烧瓶中滴加一定量的CoCl2甲醇溶液, 搅拌1 h, 确保金属充分分散,最后在惰性气体的保护下, 加入1 mmol硼氢化钠进行还原, 得到催化剂Co/NHCS800. 不同金属的负载量通过控制载体质量不变, 改变金属的用量, 得到Co负载量分别为5%、10%、15%、20%和25% (w)的Co/NHCS800系列催化剂. Co/SiO2@CN800和Co/POF-CN800的制备与Co/NHCS800的制备步骤一致, 只是将载体换成SiO2@CN800和POF-CN800, 而Co纳米粒子的制备则不加入任何载体.

4.2 催化剂的表征

采用捷克Tescan公司VEGA 3 SBU型扫描电子显微镜(SEM)观察样品形貌, 工作电压为15 kV. 采用JEM-2100F型场发射高分辨透射电子显微镜(TEM)进一步分析催化剂的微观结构, 加速电压为200 kV. 物相结构通过D5000型X射线衍射仪(XRD)进行表征. 采用Tensor 27型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)采集红外光谱, 测试波数范围为500~4000 cm−1. 拉曼光谱测试采用in Via型拉曼光谱仪(Raman). 采用BELSORP-mini II 型自动比表面积和孔隙度分析仪测量样品比表面积和孔隙体积. 在PHI model 5700仪器上进行XPS测试.

4.3 催化剂催化性能及循环稳定性测试

测量AB醇解制氢的实验装置与先前报道的相 同[47]. 通过排水法测量生成相同体积的H2所用时间, 来评估合成的催化剂催化AB醇解析氢的性能. 具体步骤如下, 在20 mL单口圆底烧瓶中装入5 mL甲醇, 并将催化剂在其中超声分散, 固定于恒温水浴加热装置, 并控制反应温度于设定值且稳定不变后, 在剧烈搅拌下迅速加入1 mmol AB, 反应开始进行, 记录每产生5 mL气体所需的时间, 直至无气体产生.
TOF值计算公式如下:
TOF=nH2/(nCo•tmin)
其中, nH2代表AB完全反应后产生H2的物质的量, nCo代表催化剂中金属Co的理论物质的量, tmin代表完全反应所用的时间.
为评估催化剂的循环稳定性, 在每轮催化制氢反应结束后, 向反应溶液中加入1 mmol AB, 并立即启动下一轮反应. 连续进行5次循环实验, 记录每次反应的产氢体积随时间变化曲线.
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