用RhNiCo/CeO2@C3N4纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法与流程

本发明属于化学化工技术领域，具体涉及一种用RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法。

背景技术：

能源是人类生存所必须的关键性要素之一,是社会发展的重要物质保障。随着社会的高速发展，人们对能源的需求日益增加，化石燃料不断减少带来的能源危机及其燃烧产物造成了以“雾霾”为代表的环境污染对目前以化石燃料为主的能源体系不断提出了严峻挑战。开发新型的可再生清洁能源替代传统的化石燃料是未来社会发展的必然趋势，也是人类的主要战略选择。

氢能被认为是推进21世纪能源革命的新能源，其作为能源使用后产物仅为水，对环境无任何危害，是当前国家大力支持和发展的清洁能源方向，但是由于氢气密度小、危险性高，如何实现氢气的高效储存是制约当前氢气大规模使用的关键。

相比于其他储氢材料，水合肼在应用中具有更高的安全性且具备较高的含氢量(8.0wt％)，CN105126884A报道了关于含有纳米金属磷化物M_xP_y催化剂的氨硼烷或水合肼催化水解释氢体系及其应用，但该催化剂在水合肼脱氢体系中活性仍不高，需要进一步提高催化剂的催化活性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂催化水合肼脱氢的方法，以期该RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂具有良好的催化活性和选择性，在较温和的条件下实现水合肼完全脱氢。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下。

将制备好的RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂置于反应器中，将反应器置于油浴中升至20～60℃，接着将摩尔比为1:0.5～4的水合肼和氢氧化钠混合液加入反应器中进行反应，得到产物氢气，其中，水合肼的物质的量与催化剂的质量比为0.01mol/g。

所述的RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂是通过以下步骤予以制备的：

(1)将三聚氰胺和硝酸铈按照质量比1:0.03～0.1溶解配成混合溶液，将上述混合溶液在80～120℃下搅拌至干燥，转移至管式炉在500～700℃焙烧6～8h得到CeO₂@C₃N₄载体。

(2)将摩尔比为1：0.5～3：0.1～0.5的Rh盐、Ni盐、Co盐和去离子水配置于容器中，充分搅拌后形成混合溶液，再将步骤(1)制备的CeO₂@C₃N₄加到上述混合溶液中，其中，混合盐的物质的量与CeO₂@C₃N₄载体的质量比为0.2mmol/g。

(3)将步骤(2)的混合溶液置于0℃的水浴中，用0.1mol/L～0.3mol/L的硼氢化钠逐滴滴加还原，并搅拌4～12h。

(4)将步骤(3)得到的溶液过滤后干燥，即得到RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂。

进一步的，所述的RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂的制备步骤(2)中的Rh盐为氯化铑，Ni盐为氯化镍，Co盐为氯化钴。

进一步的，所述的RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂的制备步骤(4)中的干燥在烘箱中进行，干燥温度为80～120℃，干燥时间为12～24h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用浸渍还原法，催化剂制备使用硝酸铈和三聚氰胺混合液经焙烧得到CeO₂@C₃N₄，将上述制备的载体置于一定含量的RhCl₃·3H₂O、NiCl₂·6H₂O和CoCl₂·6H₂O溶液中，经硼氢化钠溶液还原干燥制备RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂，该催化剂具有较高的活性和选择性。使用该催化剂进行水合肼脱氢反应，脱氢转化率和选择性均为100％，反应的TOF值大于650h^-1。

2、与传统的负载型催化剂不同的是：根据本发明，调节催化剂中金属Rh、Ni、Co的摩尔比及载体CeO₂@C₃N₄的组成就可以制得用于水合肼脱氢制氢气的高活性、高选择性RhNiCo/CeO₂@C₃N₄纳米催化剂。

具体实施方法

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。但是所述实例不构成对本发明的限制。

实施例1

制备催化剂过程

将2g三聚氰胺和0.06g Ce(NO₃)₃·6H₂O溶解于200mL去离子水，将上述混合液在80℃水浴中充分搅拌至干燥，转移至管式炉中500℃焙烧后8h，焙烧后即得到CeO₂@C₃N₄，记为0.03CeO₂@C₃N₄。将6.6mg RhCl₃·3H₂O、3.0mg NiCl₂·6H₂O和0.6mg CoCl₂·6H₂O溶于20mL蒸馏水，再将0.2g 0.03CeO₂@C₃N₄加入上述溶液中，充分搅拌后，在0℃冰浴中搅拌一段时间，滴加0.1mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌12h，过滤80℃的干燥箱中干燥24h，催化剂记为RhNi_0.5Co_0.1/0.03CeO₂@C₃N₄，密闭保存。

脱氢反应过程

将50mg上述催化剂装至管式反应器中，再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为20℃，向其中滴加摩尔比为1:0.5的水合肼和氢氧化钠混合液4ml，收集反应气体，反应后测得氢气的选择性为100％，水合肼转化率为100％，反应的TOF值为680h^-1。

实施例2

制备催化剂过程

将2g三聚氰胺和0.2g Ce(NO₃)₃·6H₂O溶解于200mL去离子水，将上述混合液在120℃水浴中充分搅拌至干燥，转移至管式炉中700℃焙烧后6h，焙烧后即得到CeO₂@C₃N₄，记为0.1CeO₂@C₃N₄。将2.3mg RhCl₃·3H₂O、6.3mg NiCl₂·6H₂O和1.1mg CoCl₂·6H₂O溶于20mL蒸馏水，再将0.2g 0.1CeO₂@C₃N₄加入上述溶液中，充分搅拌后，在0℃冰浴中搅拌一段时间，滴加0.3mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌4h，过滤120℃的干燥箱中干燥12h，催化剂记为RhNi₃Co_0.5/0.1CeO₂@C₃N₄，密闭保存。

脱氢反应过程

将50mg上述催化剂装至管式反应器中，再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为60℃，向其中滴加摩尔比为1:4的水合肼和氢氧化钠混合液4ml，收集反应气体，反应后测得氢气的选择性为100％，水合肼转化率为100％，反应的TOF值为1280h^-1。

实施例3

制备催化剂过程

将2g三聚氰胺和0.1g Ce(NO₃)₃·6H₂O溶解于200mL去离子水，将上述混合液在90℃水浴中充分搅拌至干燥，转移至管式炉中600℃焙烧后7h，焙烧后即得到CeO₂@C₃N₄，记为0.05CeO₂@C₃N₄。将4.8mg RhCl₃·3H₂O、4.3mg NiCl₂·6H₂O和0.9mg CoCl₂·6H₂O溶于20mL蒸馏水，再将0.2g 0.05CeO₂@C₃N₄加入上述溶液中，充分搅拌后，在0℃冰浴中搅拌一段时间，滴加0.2mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌6h，过滤110℃的干燥箱中干燥16h，催化剂记为RhNiCo_0.2/0.05CeO₂@C₃N₄，密闭保存。

脱氢反应过程

将50mg上述催化剂装至管式反应器中，再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为50℃，向其中滴加摩尔比为1:3的水合肼和氢氧化钠混合液4ml，收集反应气体，反应后测得氢气的选择性为100％，水合肼转化率为100％，反应的TOF值为820h^-1。

实施例4

制备催化剂过程

将2g三聚氰胺和0.16g Ce(NO₃)₃·6H₂O溶解于200mL去离子水，将上述混合液在100℃水浴中充分搅拌至干燥，转移至管式炉中550℃焙烧后6h，焙烧后即得到CeO₂@C₃N₄，记为0.08CeO₂@C₃N₄。将3.6mg RhCl₃·3H₂O、4.9mg NiCl₂·6H₂O和1.3mg CoCl₂·6H₂O溶于20mL蒸馏水，再将0.2g 0.08CeO₂@C₃N₄加入上述溶液中，充分搅拌后，在0℃冰浴中搅拌一段时间，滴加0.15mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌9h，过滤100℃的干燥箱中干燥18h，催化剂记为RhNi_1.5Co_0.4/0.08CeO₂@C₃N₄，密闭保存。

脱氢反应过程

将50mg上述催化剂装至管式反应器中，再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为40℃，向其中滴加摩尔比为1:2的水合肼和氢氧化钠混合液4ml，收集反应气体，反应后测得氢气的选择性为100％，水合肼转化率为100％，反应的TOF值为760h^-1。

实施例5

制备催化剂过程

将2g三聚氰胺和0.12g Ce(NO₃)₃·6H₂O溶解于200mL去离子水，将上述混合液在115℃水浴中充分搅拌至干燥，转移至管式炉中650℃焙烧后8h，焙烧后即得到CeO₂@C₃N₄，记为0.06CeO₂@C₃N₄。将4.6mg RhCl₃·3H₂O、4.1mg NiCl₂·6H₂O和1.2mg CoCl₂·6H₂O溶于20mL蒸馏水，再将0.2g 0.06CeO₂@C₃N₄加入上述溶液中，充分搅拌后，在0℃冰浴中搅拌一段时间，滴加0.25mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌11h，过滤105℃的干燥箱中干燥20h，催化剂记为RhNiCo_0.3/0.06CeO₂@C₃N₄，密闭保存。

脱氢反应过程

将50mg上述催化剂装至管式反应器中，再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为30℃，向其中滴加摩尔比为1:1的水合肼和氢氧化钠混合液4ml，收集反应气体，反应后测得氢气的选择性为100％，水合肼转化率为100％，反应的TOF值为710h^-1。

实施例6

制备催化剂过程

将2g三聚氰胺和0.14g Ce(NO₃)₃·6H₂O溶解于200mL去离子水，将上述混合液在105℃水浴中充分搅拌至干燥，转移至管式炉中550℃焙烧后8h，焙烧后即得到CeO₂@C₃N₄，记为0.07CeO₂@C₃N₄。将4.8mg RhCl₃·3H₂O、3.5mg NiCl₂·6H₂O和1.7mg CoCl₂·6H₂O溶于20mL蒸馏水，再将0.2g 0.07CeO₂@C₃N₄加入上述溶液中，充分搅拌后，在0℃冰浴中搅拌一段时间，滴加0.2mol/L硼氢化钠溶液还原并搅拌9h，过滤105℃的干燥箱中干燥14h，催化剂记为RhNi_0.8Co_0.4/0.07CeO₂@C₃N₄，密闭保存。

脱氢反应过程

将50mg上述催化剂装至管式反应器中，再将管式反应器置于油浴中控制反应温度为60℃，向其中滴加摩尔比为1:4的水合肼和氢氧化钠混合液4ml，收集反应气体，反应后测得氢气的选择性为100％，水合肼转化率为100％，反应的TOF值为1210h^-1。