[发明专利]一种功能化碳纳米管负载钯纳米催化剂及其制备和应用

说明书

本发明的一种功能化碳纳米管负载钯纳米催化剂及其制备和应用，其特征在于，采用一步快速还原法来合成功能化的碳纳米管负载钯纳米催化剂，及其在催化甲酸水溶液制氢方面的应用。本发明的有益之处在于：本发明采用一步快速还原法来合成功能化的碳纳米管负载钯纳米催化剂，在室温下即可完成，具有合成时间短，操作简便等优点，且明显改善了钯NPs在F‑CNTS衬底上的分散性及降低了金属NPs的颗粒尺寸；将合成的Pd/F‑CNTS催化剂用于催化甲酸水溶液室温分解制氢，该催化剂在没有任何添加剂存在的条件下仍然具有极高的催化活性，100％的转化率，100％的氢气选择性及较好的循环稳定性和极高的催化活性。

技术领域

本发明属于催化剂制备以及环境和能源的可持续发展领域，具体涉及一种通过一步还原法快速制备的-NH₂功能化的碳纳米管负载的钯纳米催化剂的制备及其在甲酸水解制氢中的应用。

背景技术

氢能作为一种丰富、可再生、无污染的能源，可以广泛应用于发电和燃料电池，被认为是非常有潜力的运输和发电应用上的能量载体。但是传统的高压罐和低温液态储氢方法存在效率低、安全性差和成本高等缺点，因此研发安全、高效的储氢方法是当下的研究热点。

甲酸(HCOOH,FA)的来源丰富，并且具有较高的能量密度，在室温下为稳定的液体，可以被安全的储存和运输，因此被认为是一种有巨大应用潜力的化学储氢材料。在催化剂作用下，甲酸可以通过脱氢反应，生成需要的氢气和二氧化碳(HCOOH→H₂+CO₂)；也有可能通过脱水反应生成水和一氧化碳(HCOOH→H₂O+CO)，但是生成的CO易使催化剂中毒而失活，所以该反应必须被严格控制。因此，FA作为储氢材料的关键是研发简单、高性能、并且循环稳定性好的催化剂，来进一步改进在适当条件下其放氢动力学性能和氢气选择性。

目前，用于甲酸分解制氢反应的催化剂主要有均相催化剂和多相催化剂，其中多相催化剂由于其具有容易控制、方便提取、便于回收等优势而被广泛地研究与使用。在甲酸脱氢反应中，Pd纳米颗粒比其它贵金属纳米颗粒具有更高的催化活性，但是单金属Pd基催化剂易于团聚，且容易失活，因此选取合适的载体材料对于改善单金属Pd催化剂的分散性和活性是非常重要的。碳纳米管具有较大的比表面积，良好的导电性，以及特有的孔道结构，非常有利于活性金属的分散，非常适合用作催化剂的载体材料。而对碳纳米管进行改性，如进行胺功能化，可以进一步的提高金属颗粒的分散性并能够提供有助于反应进行的-NH₂基团，从而提高功能化碳纳米管基复合物的催化性能。

综上所述，寻找一种简单且有效的方法合成高效且分散性好的单金属Pd基催化剂对于提高FA脱氢反应效率是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、温和的方法来合成一种功能化的碳纳米管负载的钯纳米催化剂，并应用于甲酸水溶液室温水解制氢。

本发明的技术方案是：

一种功能化碳纳米管负载钯纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳纳米管CNTS超声分散于去离子水中，配成1～5mg/mL的分散液，加入适量3-氨丙基-3-乙氧基硅烷APTS，继续超声15～40min后，搅拌均匀，得到混合溶液1；

(2)将摩尔比为1:2的PdCl₂和NaCl溶解于一定量的蒸馏水中，搅拌均匀，得到棕黄色的Na₂PdCl₄水溶液，溶液浓度为0.01～0.5M；

(3)将配置好的Na₂PdCl₄水溶液取适量加入到步骤(1)所述的混合溶液1中，并继续搅拌，得到混合溶液2；

(4)将30～150mg硼氢化钠NaBH₄作为还原剂加入到步骤(3)所述的混合溶液2中，搅拌还原，得到混合溶液3；