氮-掺杂三维多孔石墨烯担载超细纳米金属Co、Ni的制备及催化LiBH4放氢性能

Light metal borohydrides especially LiBH4 has attracted a great research interest in hydrogen storage due to the high hydrogen storage capacity. However, the stable thermodynamic properties and sluggish kinetic performances are key scientific problems. In view of the above questions, this project aims to achieve loading or in situ growth on the N-dopped 3D porous graphene, meanwhile realize nanoconfined LiBH4 into the pores of the material. The dehydrogenation thermodynamic and kinetic properties will be improved by means of quantum effects and electron confinement produced in micro nano mesoporous materials and nanosized channels, which can enhance the efficiency and the catalytic performance of the catalyst. The synergistic effect between nanoconfinement and catalyst additives will improve dehydrogenation property of LiBH4. We intend to reveal the interaction law between the hydrogen desorption of LiBH4 and the microstructure of the catalysts from the results such as: intermediate products, the interface structure characteristic, and efficient catalytic components obtained by analysis instruments and in situ technology. The confinement mechanism of the carrier materials will be determined. The aims of this project are to provide a theoretical basis for studying and establish the application foundation of these kind of complex hydrides.

轻金属配位硼氢化物LiBH4是目前高容量储氢材料领域研究的热点，但热力学性质过于稳定，放氢动力学性能差，因而其动力学性能和热力学性能的调控成为关键科学问题。针对上述问题，本项目拟通过将超细纳米Co、Ni催化剂负载或一步原位生长到氮-掺杂三维多孔石墨烯上，同时实现LiBH4在该材料孔道内部的限域。借助微纳介孔材料所产生的量子效应和纳米尺度的孔道所显示的电子限域效应提高催化剂的效率和催化性能。研究耦合催化掺杂和纳米限域协同改善LiBH4放氢性能，通过结构性能测试及原位技术获得储氢材料界面结构特征、有效催化组元等信息，揭示催化剂微观结构与LiBH4放氢性能的相关规律，阐明限域载体材料的孔结构限域改性作用机理。为该类配位氢化物储氢材料的研究提供理论依据，并为后续实际应用奠定基础。

氢能是一种高效、清洁、可再生利用的二次能源, 而高效、安全氢的制取和存储尤为重要。① 针对LiBH4热力学性质过于稳定而导致放氢动力学性能差的问题，项目提出微纳多孔催化剂材料纳米限域LiBH4，借助微纳介孔材料所产生的量子效应和纳米尺度的孔道所显示的电子限域效应提高催化剂的效率和催化性能。项目制备了ZIF-8衍生的氮掺杂多孔碳、Ni-TiO2@CA、微球状NiMnO3、分级多孔ZnO/ZnCo2O4、二维层状结构Ti3C2等纳米催化剂，将该类纳米催化剂材料用作载体采用湿法限域LiBH4。研究耦合催化掺杂和纳米限域协同改善LiBH4放氢性能，通过结构性能测试及原位技术获得储氢材料界面结构特征、有效催化组元等信息，揭示催化剂微观结构及限域载体材料的孔结构与放氢性能提升作用机理。② 电催化分解水被认为是理想的制氢方式，但需要贵金属催化剂而限制其大范围应用。因而开发性能优异，价格低廉的非贵金属电解水催化剂成为研究热点。通过静电纺丝和低温“局部磷化”方法制备双相Co/CoP@NC纳米纤维催化剂，在两相界面产生了电子转移，双相的钴，磷化钴纳米粒子间的协同作用促进了宽pH范围内析氢反应动力学；设计了具有分等级“枝-叶结构”兼具析氢和析氧的双功能电催化剂，该特殊结构使内、外两组分在电解液中充分暴露，提供了更多的催化活性位点，同时加快了传质过程，且自支撑的电极保证其在大电流下的稳定性；利用构造晶态和非晶界面以增大催化活性位点，通过模板电沉积法制备了Ni(OH)2–NiMoOx混晶态双功能催化剂，同时利用尿素辅助电解水，大大降低了析氢槽电压，大幅提高了产氢效率。项目通过构筑异质结、元素掺杂等调控表面结构和电子结构提高催化活性位点，构建多维结构提高传质传荷反应动力学及自支撑电极提高电极结构稳定性等策略，实现了催化活性高、稳定性好、选择性强的廉价催化剂的设计。