Rare Metals 江西师范大学卢章辉: Y2O3修饰石墨烯负载NiPt纳米颗粒高效催化水合肼和肼硼烷产氢

Y2O3修饰石墨烯负载NiPt纳米颗粒高效催化水合肼和肼硼烷产氢

姚淇露，何萌，孔雅茹，桂田，卢章辉*

江西师范大学先进材料研究院，分子筛膜材料国家地方联合工程实验室，氟硅能源材料与化学教育部重点实验室，南昌市能源催化与转化重点实验室

【文献链接】

Yao, QL., He, M., Kong, YR. et al. Y2O3-functionalized graphene-immobilized Ni-Pt nanoparticles for enhanced hydrous hydrazine and hydrazine borane dehydrogenation. Rare Met. (2023)

https://doi.org/10.1007/s12598-023-02330-z

【背景介绍】

氢能被誉为下一代二次清洁能源，而储氢和制氢技术是当前聚焦的前沿问题，也是一直以来阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。水合肼（N2H4·H2O, 8.0wt%）和硼烷肼（N2H4BH3, 15.4wt%）具有高的储氢质量分数，产物不含CO且无污染，容易储运等优点，颇具应用前景。发展高活性和高稳定性的催化材料，实现水合肼和肼硼烷的高效产氢，是其应用的关键和难点。本工作通过简单的液相浸渍法，在没有任何表面活性剂的情况下，将超细的双金属NiPt合金纳米颗粒（3.4 nm）负载在Y2O3修饰的石墨烯（Y2O3/rGO）上。研究表明，石墨烯和Y2O3的结合不仅可以促进超细NiPt纳米颗粒的形成，而且可以调节NiPt纳米颗粒的电子结构，从而提高催化剂性能。与NiPt/Y2O3和NiPt/rGO相比，NiPt/Y2O3/rGO纳米复合材料对水合肼制氢具有更优异的催化活性。优化后的Ni0.6Pt0.4/Y2O3/rGO在323 K下对水合肼制氢表现出最佳的催化活性和100%的H2选择性，其转化频率（TOF）高达2182 h-1，是目前报道的最高值之一。此外，该催化剂对肼硼烷的硼烷基水解和肼基裂解产氢也表现出较好的催化性能（TOF = 3191 h-1）。该研究结果为水合肼和肼硼烷作为化学储氢材料的应用提供了更多的可能性。

【文章亮点】

1. 采用一种简单的浸渍还原法成功合成了高分散和小尺寸的NiPt/Y2O3/rGO催化剂；

2. 石墨烯和Y2O3的结合不仅可以调控NiPt纳米颗粒尺寸，还可以调节NiPt纳米颗粒的表面电子结构；

3. 在323 K下，Ni0.6Pt0.4/Y2O3/rGO催化水合肼和肼硼烷制氢的TOF值分别高达2182 h-1和3191 h-1。

【内容简介】

日前，江西师范大学卢章辉课题组在Rare Metals上发表了题为“Y2O3-functionalized graphene-immobilized Ni-Pt nanoparticles for enhanced hydrous hydrazine and hydrazine borane dehydrogenation”的研究文章，该研究采用液相浸渍法将超细的双金属NiPt合金纳米颗粒负载在在Y2O3修饰的石墨烯（Y2O3/rGO）上，发现了石墨烯和Y2O3的复合不仅可以调控NiPt纳米颗粒尺寸，还可以调节NiPt纳米颗粒的表面电子结构，从而显著提高催化剂制氢性能。

【图文解析】

图1 a-c不同催化剂的TEM图和粒径分布图; d-fNiPt/Y2O3/rGO催化剂的TEM、HRTEM和SAED图

TEM表征可知，负载在Y2O3/rGO复合载体上的NiPt纳米颗粒的粒径约为3.4 nm，小于单载体rGO和Y2O3负载的NiPt纳米颗粒的粒径（分别为5.6 nm和4.3 nm），说明rGO和Y2O3的复合可以调控NiPt纳米颗粒尺寸。NiPt/Y2O3/rGO中NiPt纳米颗粒的尺寸更小，可以提供更多的催化活性位点，有助于提高催化剂性能。

图2 不同催化剂的XPS图

与NiPt/Y2O3和NiPt/rGO相比，NiPt/Y2O3/rGO的Ni 2p和Pt 4f峰的结合能均往低处偏移，表明Y2O3/rGO载体的一些电子转移至NiPt纳米颗粒，使活性金属表面富电子。NiPt和Y2O3/rGO之间的这种电子效应有助于N-H键的活化，从而提高催化剂的制氢活性。

图3 不同催化剂催化水合肼产氢的性能图

如图3所示，与NiPt/Y2O3、NiPt/rGO、NiPt与Y2O3/rGO物理混合物和无载体支撑的NiPt纳米颗粒相比，NiPt/Y2O3/rGO纳米复合材料对水合肼制氢具有更优异的催化活性。优化后的Ni0.6Pt0.4/Y2O3/rGO在323 K下对水合肼制氢表现出最佳的催化活性和100%的H2选择性，其转化频率（TOF）高达2182 h-1，是目前报道的最高值之一。

图4 Ni0.6Pt0.4/Y2O3/rGO催化a水合肼和b肼硼烷产氢的循环性能图

催化循环稳定性是评价催化剂的另一个重要指标。如图4所示，在重复使用5次后，Ni0.6Pt0.4/Y2O3/rGO的催化活性没有明显降低，H2选择性保持100%，说明该催化剂具有较好的循环稳定性。此外，本文发展的Ni0.6Pt0.4/Y2O3/rGO纳米复合催化剂还可以高效催化肼硼烷的硼烷基水解和肼基裂解产氢（3191 h−1）。

【全文小结】

1. 用简单的浸渍还原法合成了NiPt/Y2O3/rGO复合纳米催化剂。

2. 合成的NiPt/Y2O3/rGO对水合肼和肼硼烷产氢表现出100%的H2选择性和优异的催化活性，其TOF值在323 K下分别为2381 h−1和3191 h-1，优于大多数已报道的催化剂。

3. NiPt/Y2O3/rGO的优异催化性能可能是由于NiPt颗粒尺寸小、NiPt表面富电子以及NiPt与Y2O3/rGO的强相互作用。

【作者介绍】

姚淇露，江西师范大学先进材料研究院副研究员，硕士生导师，江西省“双千计划”入选者，江西省主要学科学术带头人，担任Adv Powder Mater、稀有金属等期刊青年编委。主要研究方向为纳米材料的可控合成及其在能源与催化领域的应用，以第一作者或通讯作者在知名期刊发表SCI收录论文20余篇；获授权发明专利7项；获江西省自然科学奖一等奖（第二完成人）。

卢章辉，江西师范大学化学化工学院教授/博导，南昌市能源催化与转化重点实验室主任，第十五届南昌市人大代表，省级师范研究生导师创新团队带头人，江西省“赣鄱英才555工程”领军人才，江西省青年科学家培养对象，江西省优秀博士/硕士学位论文指导教师，担任Chin Chem Lett、Rare Metals等期刊青年编委或客座编辑。主要从事能源催化研究，在知名刊物发表论文120余篇，ESI高被引论文13篇，被引6000余次。2020年牵头获得江西省自然科学奖一等奖。