CuM掺杂+负载TiO2纳米管光催化氨硼烷水解放氢性能研究

Ammonia borane has been considered as a promising candidate material for hydrogen storage due to its mass and rapid hydrogen release at normal temperature. How to improve the rate of AB hydrolysis is the requisite for its widely used. This project is based on the photocatalytic hydrolysis of ammonia borane research system, focused on studying the catalyst, that is, the catalyst supporter and the metal materials. The optimum catalyst composition was found by investigating the catalyst conditions that affect the effect of hydrogen release. The specific work is as follows: ① CuM doped + loaded TiO2 nanotube is synthesized by one pot method. ②The interaction between metal and TiO2 was adjusted by the strong metal support interaction, e.g., the oxygen defect concentration, tube diameter, length and other conditions of TiO2. ③ The effect of localized surface plasmon resonance on the photocatalytic activity of metal was studied by changing the size of CuM, the ratio of Cu:M, and the ratio of doping to loading. ④The influence factors of catalysis are investigated from electron by simulating the molecular model of the catalyst, in order to find the key factor of the photocatalysis. This project aims to reveal the influence of key factors of photocatalytic hydrolysis of ammonia borane, and establish the relationship of the catalysis and the physical properties of the materials, which has important significance for the application of hydrogen generation by ammonia borane.

氨硼烷（AB）水解可大量、快速放氢，成为制氢领域研究的热点之一。如何能进一步提高AB水解放氢速率是其能够广泛应用的必要条件。本项目以光催化氨硼烷水解制氢为研究体系，从催化剂着手，以掺杂体或载体、金属这两部分为研究对象，考察影响放氢效果的催化剂条件，找到最优催化剂组成。具体工作为：①采用一锅法可控合成二元Cu基金属掺杂+负载TiO2纳米管材料做为催化剂；②改变TiO2氧缺陷浓度、纳米管管径、长度等，通过金属载体强相互作用调节其催化性能；③改变CuM粒径大小、Cu：M元素之比、掺杂与负载量之比等，研究局域表面等离子体共振对金属的光催化影响；④模拟催化剂分子模型，从电子角度考察催化作用影响因素，找到影响光催化的关键因素。本项目旨在揭示影响光催化AB水解放氢性能的关键因素，建立材料种类、形貌、结构等因素与光催化性能之间的关联，有效提高放氢速率，对推动AB制氢应用具有重要意义。

氨硼烷作为化学储氢材料，氢含量高达19.6 wt%，其水解制氢是满足氢能源产生和移动应用的有效途径之一。TiO2作为载体去负载金属用于AB水解释氢，使导带和价带的带隙处于可见光范围，可以利用可见光来催化AB水解反应，这方面的工作还没有报道。本文创新性地采用一步合成法和传统的两步合成法，分析了所制备催化剂对光的吸收性、光生载流子的复合与分离，以及CdS和光照对催化性能的影响等。主要内容如下：.（1）为改善金属表面的电子密度，构建负载型CuNi/TiO2催化剂。利用一维TiO2分散及固定粒径仅为1~2 nm的CuNi金属纳米颗粒，促使金属暴露多活性位点，同时金属依靠与载体之间的相互作用提高金属表面电子密度。催化剂中CuNi二元金属之间的协同作用提高催化剂的电荷分离效率并增强催化剂对可见光的吸收。另外，载体结构优化所构造TiO2(B)与锐钛矿混合相载体提供的高效光生载流子分离过程，也使得催化过程中催化剂金属表面电子密度提高。.（2）采用一步合成法成功合成TiO2-CdS纳米管（TCNTs），以其为载体制备了Cu/TCNTs纳米催化剂。金属Cu纳米颗粒均匀负载在TCNTs上，颗粒尺寸大小平均为1.52 nm。TCNTs具有较高的比表面积173.73 m2·g-1和较好的稳定性。其对紫外光吸收的同时，对可见光也有着强烈的吸收。.（3）采用两步合成法制备TiO2-CdS NTs，然后以其为载体合成CuxNi1-x/TiO2-CdS NTs催化剂。金属纳米颗粒以合金的形式存在，平均尺寸为1.2 nm，分散均匀。催化剂对可见光具有较强的吸收，并且光生电子与空穴达到了有效的分离。催化性能测试结果表明，CdS的添加有助于催化剂活性的提高，并且可见光的增加可显著提高催化剂对AB水解脱氢的催化性能。.(4) 以两步合成法制备TiO2-CdS NTs载体，然后将金属Cu、Co和Mo负载在载体上合成CuCoMo/TiO2-CdS NTs催化剂。主要从相组成、形貌以及催化放氢性能等多方面说明Mo元素的重要性。在可见光下，Cu0.54Co0.36Mo0.1/TiO2-CdS NTs的氢气释放速率比黑暗条件下的速率明显增加。对于AB水解释氢来说，Cu0.54Co0.36Mo0.1/TiO2-CdS NTs催化剂的催化活性最佳。