[发明专利]一种层状氮化碳基甲酸制氢催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及提供一种层状氮化碳基甲酸制氢催化剂及其制备方法，该催化剂由钯金和层状氮化碳纳米片复合而成，利用层状粘土作为模板，先插层阳离子表面活性剂，然后负载三聚氰胺，经过高温焙烧，去除粘土模板，制备出层状氮化碳纳米片载体，然后利用层状氮化碳纳米片吸附钯和金离子，通过液相还原法制备出钯金复合层状氮化碳纳米片催化剂，用于催化甲酸制氢表现出高的制氢活性和氢气选择性。本发明操作简单，原料丰富、廉价，催化剂的制氢温度低、制氢活性高，选择好，在低温燃料电池领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，具体涉及一种层状氮化碳基甲酸制氢催化剂及其制备方法。

背景技术

随着人类对化石燃料的需求与日俱增，能源危机和环境问题日益严重，开发高效清洁的可再生资源迫在眉睫。氢气作为一种清洁的可再生能源载体，具有高的能量密度，是理想的替代化石燃料的能源载体。

目前，制氢有很多种方法如电解水制氢、光解水制氢、小分子分解制氢、醇类以及生物质重整制氢等。甲酸作为一种最简单的羧酸，氢含量为4.4％，室温液态，便于运输，是常用的化学储氢燃料，以甲酸直接分解的制氢方法是实现低温制氢理想且有效的途径，反应的副反应和副产物少，反应温度低且可调变，逐渐成为制氢领域的研究重点。甲酸制氢反应分为均相反应和非均相反应。均相反应是利用贵金属配合物作为均相催化剂，催化甲酸分解制氢，催化反应活性高受到人们广泛的研究，在反应活性以及机理研究中都取得了很大的进展，但是均相反应的催化剂稳定性差、容易失活，需要在反应过程中不断添加有机配体保持催化活性。均相反应中的均相催化剂很难分离、回收，并且均相催化剂需要利用有机配体和贵金属配合，形成特殊结构的贵金属有机配合物，使得催化剂的成本较高，限制了其实际应用。因此，设计和制备高效的非均相催化剂成为甲酸制氢研究的重点。J.Phys.Chem.C 2018,122,4792-4801文章中报道了贵金属钯金合金负载在氮掺杂的碳载体上，利用氮元素的掺杂能够更好地分散钯金合金颗粒，提高催化剂的制氢性能；CN201010551599.X公开了钯铱复合有序介孔二氧化硅复合纳米催化剂，利用氨基功能化的有序介孔二氧化硅为载体，制备的复合催化剂表现出高效的制氢活性。上述不同方法中制备的甲酸制氢催化剂需要利用杂原子掺杂或者表面化学修饰等方法对载体进行功能化处理，使得催化剂的制备过程复杂，增加催化剂载体的成本。New J.Chem.,2018,42,9449–9454文章中利用氮化碳为载体，将贵金属钯及其合金负载于氮化碳载体上，得到一系列甲酸制氢催化剂，但其制氢活性低，制氢活性有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的针对上述存在的问题提出了一种层状氮化碳基甲酸制氢催化剂及制备方法。该催化剂由钯金合金和层状氮化碳复合而成，利用有机阳离子表面活性剂对层状结构的粘土进行有机改性，浸渍三聚氰胺，再经过高温焙烧、去除粘土模板，获得层状氮化碳纳米片载体，再将钯金组分分散到层状氮化碳纳米片表面中，最后经过还原剂还原，制备出钯金复合层状氮化碳基甲酸制氢催化剂。本发明操作流程简单，原料丰富，制备的复合型催化剂有很好制氢效果，有望实现催化剂在低温制氢领域的实际应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种层状氮化碳基甲酸制氢催化剂，该催化剂载体为层状氮化碳纳米片，所述催化剂中钯和金活性组分均匀分散于层状氮化碳纳米片表面，该催化剂中钯和金元素的总质量为催化剂的3-8％，钯与金之间的摩尔比为1：0.1-1.2。

一种上述的层状氮化碳基甲酸制氢催化剂的制备方法，该方法按下列步骤进行：

(1)将层状结构粘土加入阳离子表面活性剂溶液中，在50-100℃条件下搅拌5-20小时，得到有机改性的粘土混合液；

(2)将三聚氰胺加入步骤(1)的有机改性的粘土混合液中，并在80-120℃条件下干燥，获得固体混合物，得到的固体混合物在马弗炉中于500-650℃条件下焙烧2-10小时，制备出氮化碳/粘土复合物；