M/Co₃O₄(M=Fe、Ni)的簡易制備及其催化NaBH₄水解制氫

吳龍祥 楊茂 張浩東 趙國棟 劉永輝 王小煉

摘 要：為提高硼氫化鈉水解放氫速率，采用簡單易操作的微波輻射—多元醇法制備低成本負載型非貴金屬催化劑M/Co3O4（M=Fe、Ni）催化硼氫化鈉水解制氫.研究發(fā)現(xiàn)，M/Co3O4對硼氫化鈉水解具有顯著的催化作用，且Fe/Co3O4具有更好的催化性能.在催化劑添加量為12.5 wt.%，水料比為50 mL/g和水解溫度為40 ℃的條件下，F(xiàn)e/Co3O4催化硼氫化鈉在10.3 min內(nèi)的放氫量達2 445.4 mL/g，對應(yīng)的放氫速率和產(chǎn)氫率分別為237.4 mL/（min·g）和94.1%.

關(guān)鍵詞：硼氫化鈉；水解制氫；Fe/Co3O4；Ni/Co3O4

中圖分類號：O643.3;TQ116.2;TK91

文獻標志碼：A

文章編號：1004－5422（2023）03－0298－09DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.012

0 引 言

固體儲氫材料水解制氫是較為成熟和環(huán)保的制氫技術(shù)［1］.硼氫化鈉（NaBH4）憑借其儲氫密度大、反應(yīng)條件溫和［2］，以及反應(yīng)產(chǎn)物對環(huán)境無害［3］等優(yōu)點在眾多儲氫材料中脫穎而出.然而，NaBH4在25 ℃條件下的產(chǎn)氫率僅有2.17 wt.%［4］，故需要高效率的催化劑來加快反應(yīng)速率.以往的研究表明，含釕（Ru）［5-6］、鉑（Pt）［6-7］和鈀（Pd）［6，8-9］等貴金屬的催化劑對NaBH4水解具有優(yōu)異的催化效果，其放氫速率分別可達18 600、29 600和3 641.4 mL/（min·g），但貴金屬成本高和儲量稀少等問題使得其缺乏實用價值［10］.

貴金屬催化劑的昂貴與稀缺促使科研人員加快了尋找替代材料的步伐［11］，鈷（Co）和鎳（Ni）等非貴金屬催化劑因其顯著的催化性能成為了研究重點［12-13］.大量研究發(fā)現(xiàn)，基于Co和Ni等非貴金屬的催化劑在催化NaBH4水解方面同樣表現(xiàn)出良好的催化性能［14-15］.Bozkurt等［16］采用四氧化三鈷（Co3O4）負載Co制備的Co-Co3O4催化劑催化NaBH4水解的產(chǎn)氫速率可達2 823 mL/（min·g），大于使用貴金屬復(fù)合材料催化劑Ni35Fe35Pd30時1 556 mL/（min·g）的產(chǎn)氫速率［17］；Dnmez等［18］在10 wt.%的NaBH4溶液中加入5 mL NaOH，添加50 wt.%的催化劑Ni/TiO2，并在60 ℃溫度下反應(yīng)，最終測定的產(chǎn)氫率可達100%.Nie等［2］利用NiCl2、FeCl3和NaBH4的混合溶液，通過化學(xué)還原法制備了Ni-Fe-B催化劑，并探究其對NaBH4水解的影響，最終的產(chǎn)氫速率為2 910 mL/（min·g），但制備過程使用了強堿，具有危險性.目前，還鮮有具體探究非貴金屬Fe和Co3O4的直接相互作用對NaBH4水解制氫的影響.為探究Co3O4與非貴金屬Fe和Ni直接的相互作用對NaBH4水解制氫的影響，同時降低催化劑制備的成本和危險性，在本研究中，采用微波輻射—多元醇法［19］制備的負載型M/Co3O4催化劑用于催化NaBH4水解制氫，并采用控制變量法系統(tǒng)研究催化劑添加方式、催化劑添加量、水料比和水解溫度等反應(yīng)影響因素對NaBH4水解制氫性能的影響.

1 材料與方法

1.1 儀 器

DX-2700B型X射線衍射儀（XRD）（丹東浩元儀器有限公司），F(xiàn)EI Inspect F50型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）（賽默飛世爾科技公司），KQ-3200DE型超聲均質(zhì)器（昆山市超聲儀器有限公司），M1-L213C微波爐（美的集團），DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海鴻都電子科技有限公司），LD3100-1型電子天平（沈陽龍騰電子有限公司）.

1.2 材 料

NaBH4（98.0%），購自上海提坦科技有限公司；六水合氯化鎳（NiCl2·6H2O，98.0%），購自成都市科龍化工試劑廠；Co3O4（99.5%），購自阿拉丁試劑有限公司；氯化鐵（FeCl3，98.0%），購自上海山浦化工有限公司；丙酮（CH3COCH3，99.5%）、乙二醇（（CH2OH）2，99.5%），均購自成都長聯(lián)化工試劑有限公司.所有試劑均為分析純，在實驗中未經(jīng)進一步純化原樣使用.

1.3 催化劑的制備

本研究采用微波輻射—多元醇法［20］制備負載型催化劑M/Co3O4.其中，F(xiàn)e/Co3O4催化劑的制備是先將FeCl3溶于100 mL去離子水中配置濃度為0.1 mol/L的FeCl3溶液，然后加入50 mL（CH2OH）2和2.234 g（調(diào)控Fe元素的質(zhì)量分數(shù)為20%）載體材料Co3O4，并使用超聲均質(zhì)器將配好的混合物均質(zhì)0.5 h.超聲結(jié)束后，放入微波爐中加熱90 s取出，冷卻至室溫后繼續(xù)攪拌至均勻，接著分別使用CH3COCH3和去離子水分別對其進行離心洗滌處理（離心參數(shù)設(shè)置為1 000 r/min，離心時間為3 min）.最后將離心洗滌所得沉淀在100 ℃烘箱中干燥12 h.Ni/Co3O4催化劑的制備采用同樣的步驟，不同之處是將FeCl3換成NiCl2·6H2O，并添加2.348 g載體材料配置成濃度為0.1 mol/L的NiCl2·6H2O溶液.

1.4 水解實驗

水解實驗是在基于排水集氣法的實驗裝置中進行（見圖1）.稱量0.2 g的NaBH4和催化劑的混合物裝入圓底燒瓶中，再將圓底燒瓶置于恒溫水浴鍋中，依次連接好各個器材并檢查氣密性.調(diào)節(jié)磁力攪拌的轉(zhuǎn)速為400 r/min，通過注射泵將去離子水以100 mL/h的注射速率加入圓底燒瓶中.當(dāng)水和反應(yīng)混合物接觸后通過電腦和天平實時觀察和記錄氫氣的體積（即排出水的質(zhì)量）.為確保實驗數(shù)據(jù)的科學(xué)性，每組實驗至少重復(fù)3次，得到的數(shù)據(jù)平均后作為最終結(jié)果.為減小水解過程中氣體冷熱膨脹帶來的數(shù)據(jù)誤差，將持續(xù)對產(chǎn)生的氣體進行冷卻.

1.5 組織結(jié)構(gòu)表征

本研究所用原料、制備的催化劑和水解固相產(chǎn)物的物相采用XRD分析，測試采用CuKα輻射，石墨單色儀，步進角度為0.02°，采樣時間為0.5 s，掃描范圍為10°～90°；催化劑和水解固相產(chǎn)物的表面形貌采用SEM分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 水解原料及催化劑的物相分析

圖2為Co3O4、Fe/Co3O4和Ni/Co3O4的XRD測試結(jié)果.如圖所示，在Fe/Co3O4和Ni/Co3O4催化劑中檢測到有Fe和Ni元素的特征峰存在，這表明微波輻射—多元醇法成功將非貴金屬元素Fe和Ni負載到了載體材料上.進一步分析表明，F(xiàn)e（PDF#50-1275）在2θ值為44.67°處的特征峰對應(yīng)其（110）晶面，與Co3O4（PDF#43-1003）在2θ值為44.81°處的特征峰相互疊加，疊加后的特征峰主峰相對于Co3O4的特征峰藍移約0.10°.同樣，Ni（PDF#20-0781）在2θ值為44.50°處的特征峰對應(yīng)其（011）晶面，與Co3O4在2θ值為44.81°處的特征峰相互疊加，疊加后的特征峰相對于Co3O4的特征峰藍移約0.30°.

2.2 水解放氫性能研究

2.2.1 催化劑添加方式對NaBH4水解放氫性能的影響

催化劑添加方式對催化劑催化水解制氫的性能有重要影響，因為球磨可以使得原料顆粒更加細化并暴露更多的表面積，有利于水解反應(yīng)的進行，但有時球磨過后的催化劑催化水解性能并無明顯改善，而且長時間的球磨反而增加了制備成本［20］.因此，本研究首先探究了M/Co3O4催化劑添加方式對NaBH4水解性能的影響.直接添加是將催化劑與NaBH4直接混合進行反應(yīng)，球磨添加是將催化劑和NaBH4一起球磨不同時間后再進行反應(yīng)，圖3為對應(yīng)的放氫曲線.其中，催化劑添加量為10 wt.%，水料比為50 mL/g，水解溫度為40 ℃，相對應(yīng)的數(shù)據(jù)見表1.

由圖3（A）和表1可知，直接添加催化劑Fe/Co3O4制備的Fe/Co3O4-NaBH4混合物的放氫速率為190.0 mL/（min·g），雖然放氫速率相對較低，但放氫量和產(chǎn)氫率分別達到2 489.6 mL/g和97.8%，皆為最佳.由圖3（B）和表1可以得到，直接添加Ni/Co3O4催化劑制備的Ni/Co3O4-NaBH4混合物與球磨制備的混合物相比放氫速率略低，但放氫量和產(chǎn)氫率都明顯高于其他對照組.

綜合對比表1數(shù)據(jù)可知，直接添加催化劑催化NaBH4水解整體效果最好，說明長時間球磨并不能大幅提高水解放氫性能，且長時間球磨工藝也具有一定的復(fù)雜性，生產(chǎn)成本較高，故后續(xù)研究將采用直接添加M/Co3O4催化劑催化NaBH4水解的方式.

2.2.2 催化劑添加量對NaBH4水解放氫性能的影響

圖4為不同含量的催化劑（xM/Co3O4，x=0 wt.%～15 wt.%）催化NaBH4水解的放氫曲線（水料比為50 mL/g，水解溫度40 ℃），對應(yīng)的放氫性能數(shù)據(jù)見表2.如圖4和表2所示，M/Co3O4-NaBH4混合物的放氫速率隨著催化劑添加量的增加而逐漸增加，但放氫總量和產(chǎn)氫率卻在下降.并且可以進一步觀察到，10 wt.%的添加量更適合Ni/Co3O4-NaBH4混合物水解反應(yīng)的進行，但其產(chǎn)氫率相比于xFe/Co3O4-NaBH4混合物更低，反應(yīng)時間也更長.可以明顯看出，相比于無催化劑NaBH4的水解過程，F(xiàn)e/Co3O4對NaBH4的水解起著顯著的催化作用，但對于Ni/Co3O4催化劑，若添加過多反而會影響放氫量，這可能是因為催化劑過多會產(chǎn)生過量的反應(yīng)物，導(dǎo)致其濃度過大，影響了催化劑性能［21-22］.

為了進一步確定2種混合物的水解性能，對比表2中xFe/Co3O4和xNi/Co3O4（x=7.5 wt.%～15 wt.%）催化劑催化NaBH4水解的放氫性能.可以觀察到，xFe/Co3O4的整體催化性能都要優(yōu)于xNi/Co3O4，再考慮到節(jié)約成本和產(chǎn)氫效率高等要求，確定了12.5 wt.%Fe/Co3O4-NaBH4混合物的制氫效果最理想.

2.2.3 水料比對NaBH4水解放氫性能的影響

圖5為12.5 wt.%Fe/Co3O4-NaBH4混合物在不同水料比（25、50和75 mL/g）下的水解放氫曲線（水解溫度40 ℃）.如圖5所示，隨著水料比從25 mL/g增加到50 mL/g，12.5 wt.%Fe/Co3O4-NaBH4混合物的水解放氫速率先增加后降低，水解放氫量和產(chǎn)氫率雖然保持增加，但時間越長，增長率越小.當(dāng)水料比為50 mL/g時，12.5 wt.%Fe/Co3O4-NaBH4混合物具有最佳的水解放氫性能，其在12 min內(nèi)放氫量約為2 405 mL/g，大于采用25 mL/g水料比時的2 266 mL/g放氫量，這可能是因為水料比過低不利于反應(yīng)物和去離子水的充分接觸.雖然采用75 mL/g水料比時的產(chǎn)氫率與50 mL/g時相當(dāng)，但出于節(jié)約環(huán)?？紤]，并考慮放氫速率較快的同時也獲得最大實際放氫量，故選擇50 mL/g水料比作為催化NaBH4水解的最佳水料比.

2.2.4 水解溫度對NaBH4水解放氫性能的影響

圖6為12.5 wt.%Fe/Co3O4-NaBH4且水料比為50 mL/g的混合物在不同水解溫度（20～60 ℃）下的水解放氫曲線，相對應(yīng)的放氫性能數(shù)據(jù)見表3.由圖6可知，隨著水解反應(yīng)溫度的升高，NaBH4水解放氫速率顯著提高，特別是在30～40 ℃水解溫度區(qū)間，水解放氫速率的提高特別明顯.40 ℃的水解放氫速率（237.4 mL/（min·g））是30 ℃的水解放氫速率（25.8 mL/（min·g））的9.2倍，這是因為水解溫度升高，分子運動更加劇烈，反應(yīng)達到活化能也越容易，反應(yīng)就越快，但當(dāng)溫度高于40 ℃時，放氫量不再有明顯變化.而水解溫度為20和30 ℃時，放氫速度

非常緩慢，25 min內(nèi)實際放氫總量僅為292.5和619.0 mL/g，產(chǎn)氫率僅為11.3%和25.3%，說明低溫條件下NaBH4水解性能即使加了催化劑也不佳.

再對比表3內(nèi)各水解溫度下的水解數(shù)據(jù)可知，在40 ℃時混合物的產(chǎn)氫率為94.1%，為最好性能，且產(chǎn)氫速率和實際放氫量也較理想.綜合考慮反應(yīng)時長、原料利用率和實際生產(chǎn)環(huán)境等因素，確定40 ℃的水解溫度為最佳反應(yīng)溫度.

2.3 原料與水解產(chǎn)物分析

圖7（A）和圖7（B）為12.5 wt.%Fe/Co3O4-NaBH4混合物在最佳反應(yīng)條件下進行充分水解反應(yīng)后上清液干燥后所得產(chǎn)物的XRD圖譜和同樣反應(yīng)條件下水解反應(yīng)產(chǎn)物沉淀干燥后的XRD圖譜.如圖7（B）所示，反應(yīng)產(chǎn)物沉淀的XRD圖譜在2θ值為31.27°、36.85°、44.80°和59.35°的衍射峰分別對應(yīng)于Co3O4（PDF#43-1003）的（220）、（311）、（400）和（511）晶面；同理，2θ值為44.30°的衍射峰對應(yīng)于FeO（PDF#49-1447）的（101）晶面.

圖7（A）所示的XRD圖譜中，上清液干燥后所得產(chǎn)物中檢測到了以NaBO2·2H2O（PDF#06-0122）為主的化合物存在，同時還檢測到了Fe（OH）2（PDF#13-0089）、Fe2O3（PDF#40-1139）和Fe3O4（PDF#26-1136）等化合物成分.進一步分析表明，NaBO2·2H2O在2θ值為16.75°和31.14°的衍射峰對應(yīng)其（020）和（121）晶面.Fe（OH）2在2θ值為19.29°的特征峰對應(yīng)其（001）晶面，其可能與Co（OH）2（PDF#02-0925）在2θ值為19.16°的特征峰產(chǎn)生重疊.同時，圖7（A）中還出現(xiàn)了Fe2O3和NaBO2的特征峰，并伴隨一些Fe、Co、B和Na等元素的復(fù)雜化合物，說明水解反應(yīng)進行正常［3］.

圖7（C）和圖7（D）為Co3O4負載Fe后的SEM圖.由圖7（C）可知，Co3O4在20 000倍放大倍數(shù)下的SEM圖中呈現(xiàn)出直徑約為5 μm且表面凹凸不平的球狀，這能夠增大表面積，從而有利于負載其他金屬.由圖7（D）可知，F(xiàn)e/Co3O4的表面在100 000倍放大倍數(shù)下可觀察到存在小孔穴，這些小孔穴可能是水解反應(yīng)的發(fā)生路徑.

圖7（E）和圖7（F）為12.5 wt.%Fe/Co3O4-NaBH4混合物水解反應(yīng)后的黑色沉淀經(jīng)過干燥后的SEM圖.在20 000倍和50 000倍放大倍數(shù)下的SEM圖中可以觀察到，沉淀仍呈現(xiàn)表面粗糙不平整的球狀，還存在癟縮和團簇現(xiàn)象，這是因為隨著反應(yīng)的進行，部分水解產(chǎn)物吸附在催化劑表面，故發(fā)生了癟縮和團簇，并導(dǎo)致Co3O4表面負載的部分Fe被覆蓋，在一定程度上阻礙了NaBH4與催化劑的充分接觸，這也是產(chǎn)氫率未能到達100%的原因之一.進一步觀察可以看到，沉淀物表面形成了層片狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合XRD圖對比，沉積物可能是Fe及其氧化物和偏硼酸鹽（NaBO2），且證明了反應(yīng)產(chǎn)物中仍有Co3O4存在，說明沉淀還可以回收利用.

2.4 不同催化劑催化NaBH4水解性能比較

為了更好地說明Fe/Co3O4催化劑優(yōu)異的性能，表4給出了相關(guān)文獻中的NaBH4水解相關(guān)數(shù)據(jù).從表中可以看出，僅用酸和非Co基催化劑催化NaBH4水解性能并不理想，反應(yīng)時間過長的同時還

存在放氫速率和產(chǎn)氫率低的問題.同樣的，簡單的含Co化合物CuCo2O4催化劑催化NaBH4水解性能也不佳，雖然活化能僅有22 kJ/mol，但使用了0.5 g的NaBH4放氫量仍只有1 370 mL/g.最后再與復(fù)雜的負載型Co基催化劑比較，F(xiàn)e/Co3O4催化劑整體仍表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，只有活化能比碳納米管Co基催化劑高，但制備方法相比多孔結(jié)構(gòu)催化劑卻簡易得多，且放氫量較高，具有一定的商業(yè)和實用價值.

3 活化能計算

水解反應(yīng)可以通過阿弗拉米方程來考察水解反應(yīng)的性能［15］，故本研究中用線性擬合來計算不同溫度反應(yīng)下Fe/Co3O4催化劑催化NaBH4水解的活化能.其中，根據(jù)阿弗拉米的研究，反應(yīng)速率常數(shù)k與反應(yīng)溫度T（熱力學(xué)溫度）的關(guān)系為，

k=Aexp（-Ea/RT）（1）

式中，k是反應(yīng)速率常數(shù)，A為指前因子，Ea為反應(yīng)激活能；R為摩爾氣體常數(shù).

通過對公式（1）進行變形處理（即兩邊取對數(shù)）得到公式（2）.

ln k=ln A-（Ea/R）（1/T）（2）

以1/T為橫坐標，lnk為縱坐標，采用畫圖工具作出lnk與1/T的關(guān)系圖，所得直線的斜率為-Ea/R，代入R值即可獲得反應(yīng)活化能Ea的數(shù)值.水解放氫反應(yīng)活化能模擬圖如圖8所示.

由圖8可以看出，60、50、40、30和20 ℃的擬合點可以線性擬合，且擬合曲線斜率為-10 302.116，擬合得到R2值為0.937 67，計算所得活化能為85.7 kJ/mol.雖然本研究得到的Ea偏高，但Fe/Co3O4催化劑表現(xiàn)出的良好放氫性能（見表4），說明其具有比較理想的氫氣釋放動力學(xué)和實用價值.

4 結(jié) 論

本研究以NaBH4作為水解放氫反應(yīng)的原材料，分別探究非貴金屬Fe和Ni負載在Co3O4上制備的催化劑對NaBH4水解反應(yīng)的催化效果，探究其中產(chǎn)氫性能較好的催化劑與NaBH4混合物在不同物料比、不同水料比和不同水解反應(yīng)溫度等幾個水解條件下的水解效果，并利用阿弗拉米方程進行放氫反應(yīng)活化能計算.綜合對比后，最終確定了Co3O4負載Fe催化NaBH4水解制氫比負載Ni時催化水解反應(yīng)效果好，同時確定了NaBH4水解制氫的最佳條件是直接添加質(zhì)量比為12.5 wt.%的Fe/Co3O4，且水料比為50 mL/g，水解反應(yīng)溫度為40 ℃，最終10.3 min內(nèi)放氫總量可達2 445.4 mL/g，產(chǎn)氫率為94.1%.因其反應(yīng)條件適中的同時產(chǎn)氫性能較好，并且Fe/Co3O4的制備成本更低，故有望推向商業(yè)化利用.

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（責(zé)任編輯：伍利華）

Abstract：In order to increase the rate of hydrogen liberation by sodium borohydride（SB） hydrolysis，a low-cost supported non noble metal catalyst M/Co3O4 （M=Fe，Ni） was prepared by a microwave-assisted polyol process.The study shows that M/Co3O4 has a significant effect on the hydrolysis of SB，and Fe/Co3O4 has better catalytic performance.Under the conditions when catalyst addition was 12.5 wt.%，water-to-material ratio was 50 mL/g and hydrolysis temperature was 40 ℃，the hydrogen yield of Fe/Co3O4 catalyzed SB in 10.3 minutes reached 2 445.4 mL/g，and the corresponding hydrogen generation rate and hydrogen release efficiency were 237.4 mL/（min·g） and 94.1% respectively.

Key words：sodium borohydride;hydrogen production by hydrolysis;Fe/Co3O4;Ni/Co3O4

基金項目：后續(xù)能源材料與器件教育部工程研究中心開放課題（AEMD202203）；成都大學(xué)人才工程科研啟動項目（2081921083）

作者簡介：吳龍祥（1998—），男，碩士研究生，從事化學(xué)儲氫材料研究.E-mail：1097316240@qq.com

通信作者：王小煉（1985—），男，博士，副教授，從事儲氫燃料研究.E-mail：wangxiaolian@cdu.edu.cn