關(guān)于負(fù)載型CoP催化劑制備及硼氫化鈉水解制氫性能研究的“三喜二憂一思”

代一凡

【摘 要】本文就負(fù)載型CoP催化劑制備及硼氫化鈉水解制氫性能研究引發(fā)的“三喜二憂一思”。“三喜”源于制氫積極而深遠(yuǎn)的影響及硼氫化鈉水解技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)以及負(fù)載型CoP催化劑良好的穩(wěn)定性能及喜人的應(yīng)用前景。“二憂”則源于對(duì)硼氫化鈉水解制氫成本居高不下及貴金屬催化劑依然占據(jù)主導(dǎo)地位的擔(dān)憂。進(jìn)而引發(fā)積極尋求可代替硼氫化鈉原料“鈉”得其他材料以降低成本，使硼氫化鈉水解制氫技術(shù)得到更為廣泛應(yīng)用的思考。同時(shí)也期待更多性能更好、成本更低、穩(wěn)定性更強(qiáng)的催化劑催化劑研制成功并被廣泛應(yīng)用入到制氫工業(yè)中。

【關(guān)鍵詞】制氫;硼氫化鈉水解;負(fù)載;CoP催化劑

如何探究和利用硼氫化鈉來(lái)制氫是中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。一般來(lái)說(shuō)，可以從前期實(shí)驗(yàn)藥品的準(zhǔn)備、稱量到催化劑的合成過(guò)程，再到催化劑諸如形貌分析、組成測(cè)定以及晶體研究等表征手段，最后到硼氫化鈉水解制氫測(cè)試及其相關(guān)性能影響因素的進(jìn)行深入探究，在不斷的探究過(guò)程中，引發(fā)了本人對(duì)負(fù)載型CoP催化劑制備及硼氫化鈉水解制氫更深入的思考。我將這種思考概括為“三喜”“兩憂”“一思”。“三喜”：

“一喜”：制氫帶來(lái)的積極而又深遠(yuǎn)的影響

其實(shí)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)氫也只是稍有一點(diǎn)點(diǎn)了解，我在深入的探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)原來(lái)氫氣不僅能量密度非常高，熱值高達(dá)120 MJ·kg-1，是石油熱值的3 倍，而且其燃燒后產(chǎn)物為水，因而綠色環(huán)保無(wú)污染。此外，氫氣來(lái)源也非常廣泛且可循環(huán)使用中，因此被公認(rèn)為是未來(lái)最為清潔高能的新型能源。另外，大量文獻(xiàn)中也提到：有效開發(fā)和利用氫可更好地緩解社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)能源的需求增加與目前石化能源過(guò)度使用面臨逐漸枯竭之間的矛盾，有因其燃燒后產(chǎn)物為水，因而可更好地避免直接使用帶來(lái)的排放及對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，由此可見，它的有效開發(fā)及利用對(duì)節(jié)約能源、改善生存環(huán)境等方面有著如此積極而又深遠(yuǎn)的影響，令人欣喜。

“二喜”：硼氫化鈉水解技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)

另外，在研究中，可以發(fā)現(xiàn)探究所采用的以硼氫化鈉水解來(lái)制氫這一技術(shù)前景也非常喜人。大量參考文獻(xiàn)中提到：目前制氫技術(shù)雖然多種多樣，不僅可以通過(guò)化學(xué)方法對(duì)化合物進(jìn)行重整、分解、光解、水解等途徑獲取氫氣，還可通過(guò)電解水亦或利用產(chǎn)氫微生物發(fā)酵以及通過(guò)光合作用來(lái)制取，但在眾多制氫方式中，硼氫化鈉水解制氫有著其他方式所無(wú)法比擬的顯著優(yōu)勢(shì)，因而備受關(guān)注。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為：1.儲(chǔ)氫容量高。硼氫化鈉本身的儲(chǔ)氫量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同為 10.6%，其飽和水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)35%，此時(shí)的儲(chǔ)氫量為7.4%）;2.產(chǎn)氫純度高。以硼氫化鈉水解來(lái)制取氫氣，不像電解水或者煤高溫氧化制氫一樣中間會(huì)伴隨O2、CO等雜質(zhì)的產(chǎn)生，這種方式所產(chǎn)生的氫氣不含CO及其他雜質(zhì)，只有少量的水分，因而不需純化不需要純化;3.反應(yīng)溫度低一般常溫條件下即可（例如：我們?cè)谔骄勘敬螌?shí)驗(yàn)時(shí)就將反應(yīng)溫度設(shè)定在30℃）;4.反應(yīng)條件簡(jiǎn)單易控。就如第三條所述，硼氫化鈉水解制氫低溫下就可進(jìn)行，且不需要提供額外的能量，只需控制流過(guò)催化劑的NaBH4溶液的量或與NaBH4溶液接觸的催化劑（表面積）的量，就可有效控制產(chǎn)氫量及產(chǎn)氫速度;5.安全性能高。NaBH4水溶液本身具有阻燃性，加入穩(wěn)定劑后穩(wěn)定性能更高，因而更能穩(wěn)定存在于空氣中，安全方便;此外，反應(yīng)產(chǎn)物易于回收，可有效提高能源循環(huán)利用率等，因而采用硼氫化鈉水解制氫被認(rèn)為是目前最高效、安全、實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)和非現(xiàn)場(chǎng)的制氫技術(shù)，市場(chǎng)前景喜人。

“三喜”：利用負(fù)載型Cop催化制氫的非凡意義

除了制氫行動(dòng)本身的積極而深遠(yuǎn)的影響帶自己的驚喜外，前面也談到了還欣喜于氫氧化鈉水解這一制氫技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而第三重驚喜就是自己親手制備成功的負(fù)載型CoP催化劑了。說(shuō)到催化劑，據(jù)了解，目前常用的有兩類：一類是Pt、Ru、Pd等貴金屬催化劑;另一類是Ni-B、Co-B、CoP等非貴金屬催化劑。大量研究表明：前一類貴金屬雖催化劑活性較強(qiáng)，但價(jià)格昂貴且儲(chǔ)量有限無(wú)法循環(huán)使用，因而在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。而非貴金屬催化劑不僅成本低、催化活性強(qiáng)，且極具穩(wěn)定性，還可反復(fù)循環(huán)使用，從此可見應(yīng)用前景喜人。另外，在進(jìn)一步研究中，我還了解到：以泡沫鎳為載體，采用化學(xué)氣相浴沉積方法來(lái)制備CoP催化劑主要是考慮到NaBH4水解反應(yīng)過(guò)程中放出大量熱量，同時(shí)在催化劑的表面會(huì)有大量氫氣生成，采取負(fù)載的方式可使載體與CoP之間有更強(qiáng)的相互作用而使得后者結(jié)合緊密，分散良好，不易流失，因而從整體上更好地提升了此催化劑的穩(wěn)定性。而所用的載體材料不僅可以是泡沫鎳，還可以是活性炭、金屬氧化物、蜂窩陶瓷等。二憂”：

“一憂”：硼氫化鈉制氫成本居高不下

在研究中，可以發(fā)現(xiàn)，雖然中國(guó)硼礦資源也比較豐富，總產(chǎn)量居世界第4位，能基本滿足國(guó)內(nèi)需求，還有少量出口。但目前工業(yè)上生產(chǎn)NaBH4主要為硼酸三甲酯-氫化鈉法（亦稱Schlesinger法）和硼砂-金屬氫化還原法（亦稱Bayer法），而這于兩種工藝都需消耗大量金屬鈉，因而硼氫化鈉成本較高，（目前市場(chǎng)價(jià)約為$80/kg，很大程度上限制這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

“二憂”：貴重金屬催化劑依然占據(jù)主導(dǎo)地位

剛才為硼氫化鈉原材料昂貴在一定程度上阻礙其獲得商業(yè)成功擔(dān)憂的同時(shí)，又為目前國(guó)內(nèi)制氫現(xiàn)狀擔(dān)憂。而今，硼氫化鈉制氫工藝所用催化劑依然多為Ru、PCo-Bt等貴金屬，方面增加了該工藝的成本，同時(shí)也在一定程度的上限制了它的發(fā)展。

“一思”：可否用其他原材料替代鈉以降低成本

結(jié)合剛才的兩點(diǎn)擔(dān)憂，可以考慮是否可采用其他原材料來(lái)替代“鈉”獲取硼氫化鈉，這樣就可彌補(bǔ)原材料昂貴而影響硼氫化鈉水解應(yīng)用受限，從而使這一制氫技術(shù)更好地在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)其實(shí)效。同時(shí)，也熱切期待未來(lái)會(huì)有更多性能更強(qiáng)、成本更低、實(shí)用性更強(qiáng)的催化劑研制成功并被廣泛應(yīng)用入到制氫工業(yè)中。

總之，化學(xué)的學(xué)習(xí)要注重平時(shí)的探究能力的培養(yǎng)，只有這樣，才能不斷培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新思維能力。

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