基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CBA00500); 福建省自然科学基金(E0510001)
通信作者:hyli@xmu.edu.cn
(厦门大学 化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室,福建 厦门 361005)
(State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,National Engineering Laboratory for Green Chemical Productions of Alcohols-Ethers-Esters,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201702028
甲酸(FA)分解制氢是解决能源问题的有效途径,而开发一类高效、稳定、廉价的催化剂是FA分解制氢在未来得到广泛应用的关键.联合使用一水合次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)和二甲胺硼烷(DMAB)作为还原剂,成功制备了一类B、P共掺杂的Pd基催化剂,其对FA分解制氢具有较高的活性和选择性.在303 K、反应混合液为1 mol/L FA和3 mol/L甲酸钠(SF)的条件下,前1 h反应的平均转化频率(TOF)达到798 h-1,通过气相色谱检测发现分解后的气体产物中CO的体积分数小于0.01%,保证了分解得到氢气的清洁.
Dehydrogenation via formic acid decomposition is an effective way to solve energy problem,and the development of a class of highly efficient,stable and cheap catalyst is the key to extensive applications of formic acid dehydrogenation in the future.In this paper,a new kind of double doped Pd-based catalyst(Pd-B-P/C)were successfully prepared by using hydrated sodium hypophosphite and dimethylamine borane(DMAB)as reducing agent,which displayed high activity and selectivity for decomposition of formic acid.Under optional reaction conditions:303 K,1 mol/L formic acid and 3 mol/L sodium formate,the turn-over frequency(TOF)of formic acid decomposition over the Pd-B-P/C catalyst reached 798 h-1 in the first 1 hour.The gas products from decomposition of the formic acid were measured by gas chromatography and found that the fractional volume of CO was less than 0.01%,which ensured the decomposed hydrogen clean and pure.
甲酸(FA)常温下为液态,氢的质量分数为4.4%,具有无毒且易储存等特点,被看作是一种重要的化学储氢材料[1].FA分解的脱氢反应也被看作一种重要的制氢途径,该方法利用催化剂促使FA在适合的温度下分解制氢,具有设备简单、操作方便、无污染等优点.FA的分解反应一般有以下两种路径[2-3]:
HCOOH→CO2+H2,ΔG=-32.9 kJ/mol,(1)
HCOOH→CO+H2O,ΔG=-20.7 kJ/mol.(2)
脱羧反应(1)中能够分解释放出氢气,是所期望的主反应; 脱水反应(2)是会释放出CO的副反应.由于CO对燃料电池具有毒害作用[4],因而寻求高选择性和高活性的FA分解催化剂是利用FA制氢的关键.
对于FA分解制氢反应,Pd基催化剂具有较低的活化能(Ea=34 kJ/mol)[5],可以在室温下高效催化FA分解产生氢气,是目前研究最多的催化剂,然而单组分的Pd在没有表面修饰或者形成合金的情况下,容易吸附产物中的微量CO而失去活性[6].为解决Pd基催化剂反应过程中的失活问题,目前大量研究多聚焦于通过与贵金属Au、Ag等形成合金[7-8]以及核壳结构[9]从而抑制催化剂中毒,但仍然存在制备方法复杂和制备成本高等问题.而开发一类由廉价非金属掺杂的Pd基催化剂可能是解决这一问题的方向.
本课题组前期研究[10]发现使用一水合次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)作为还原剂,可以向Pd/C催化剂中掺杂非金属P,并且发现P的掺杂可以降低Pd/C催化FA制氢反应的活化能,提高FA分解制氢的效率,但催化剂仍然存在CO中毒的问题.而近期复旦大学蔡文斌教授课题组研究[11]表明,通过非金属B的掺杂可以减少Pd基催化剂表面CO的富集,从而抑制催化剂中毒.因此,开发一类兼具上述两类掺杂优势的催化剂对于FA分解制氢在未来的应用很有意义,然而迄今这方面的研究尚未见报道.
本研究联合使用NaH2PO2·H2O和二甲胺硼烷(DMAB)作为还原剂,合成了一类由非金属B和P共同掺杂的Pd-B-P/C催化剂,并研究了该催化剂对FA分解制氢反应的催化活性以及选择性; 同时还考察了其催化FA分解制氢反应的动力学,进一步联合谱学表征探讨了Pd-B-P/C高效催化FA分解的原因.
NaH2PO2·H2O、DMAB、氯化钯(PdCl2)、FA(质量分数为88%)、甲酸钠(SF)、硼酸(H3BO3)、氟化铵(NH4F)、活性炭(Vulcan XC-72)、氨水(质量分数为25%),以上试剂均购自国药集团化学试剂有限公司,实验用水均为二次蒸馏水.
取3 g Vulcan XC-72型活性炭,加入50 mL浓硝酸(质量分数为65%~68%),323 K下搅拌5 h,过滤,用大量去离子水进行洗涤,333 K下真空干燥24 h.
向反应瓶中依次加入12.6 mg NH4F、62.9 mg H3BO3和20 mL去离子水,搅拌条件下加入2.8 mL 28.3 mmol/L Na2PdCl4溶液,继续搅拌15 min,用氨水将pH调至9~10,加入200 mg处理过的活性炭,超声0.5 h.搅拌条件下,往超声后的溶液中加入10 mL 18.56 mg/mL DMAB水溶液,在273 K下反应1 h,然后加入10 mL 50.22 mg/mL NaH2PO2·H2O水溶液,继续反应2 h,过滤后用大量去离子水洗涤,室温真空干燥,得到产物,记为Pd-B-P/C催化剂.同时,参照文献方法分别合成了Pd/C[11]、Pd-P/C[10]、Pd-B/C[11]参比催化剂,用于催化性能的对比研究.
向FA和SF的混合液中加入一定量的催化剂,搅拌条件下进行反应,反应释放的气体通过导管导出,采用排液(饱和碳酸氢钠溶液)法测量一定时间内产生的气体体积,反应后的气体产物中各组分的定性和定量分析在GC-9160气相色谱仪(上海海欣色谱仪器公司)上进行.用转化频率(TOF)表示催化剂的催化活性,本文中TOF是基于催化剂总Pd原子数目,而不是催化剂活性中心数目,其计算公式为
TOF=(PatmVH2+CO2/RT)/(2nPdt).
式中:Patm为标准大气压101.325 kPa; VH2+CO2为反应产生的气体体积,L; R为理想气体常数8.314 5 J/(mol·K); T为298 K; nPd为催化剂所含Pd物质的量,mol; t为反应测试时间,h; 本文中TOF均为t时间段的平均值.
样品的结构分析在荷兰PANalytical公司的X'perPRO X射线衍射(XRD)仪上完成,Cu靶材,Kα辐射,管电压40 kV,管电流30 mA,扫描速率15(°)/min,扫描范围10°~90°.X射线光电子能谱(XPS)测试在Kratos Axis Ultra DLD多功能电子能谱仪上进行,以单色化A1 Kα为X射线源.能量散射X射线光谱(EDX)测试于日本Hitachi公司的S-4800上进行,加速电压为20 kV.电感耦合等离子光谱(ICP-AES)在IRIS intrepidⅡ XPS仪上进行,样品用浓硝酸和高氯酸进行消解.
图1为Pd/C、Pd-P/C、Pd-B/C和Pd-B-P/C 4种催化剂催化FA分解反应产生的气体体积随时间的变化曲线,可以看出Pd-B-P/C的催化活性明显高于其他3种催化剂,前1 h反应的TOF达到798 h-1,分别是Pd/C(261 h-1)、Pd-P/C(348 h-1)和Pd-B/C(497 h-1)的3.1倍、2.3倍和1.6倍,其FA的转化率为97.8%.另外,通过GC-9160型气相色谱(甲烷化转换器-FID检测器)对反应后气体(CO、CO2和H2)进行检测,结果表明气体产物中CO的体积分数小于0.01%,保证了FA分解所制氢气的清洁,使其在燃料电池上的应用不会受到CO毒化电极的影响.
反应条件:56 mg 催化剂(Pd的质量分数为4%), 20 mL反应液(1 mol/L FA,3 mol/L SF),303 K.
图2为上述4种催化剂的XRD谱图.图中39.4°,45.8°,24.6°处分别为Pd(111)、Pd(200)和C(002)面的标准衍射峰.Pd/C在39.4°和45.8°处分别出现明显的代表Pd晶体的特征衍射峰,相应的Pd-P/C、Pd-B/C和Pd-B-P/C在此位置并没有出现明显的衍射峰,而是在39°~46°范围出现一个类似于非晶态的馒头峰,推测这是由于B、P原子进入Pd的晶格导致Pd纳米粒子的晶体结构发生了改变.值得注意的是,在Pd-B-P/C的XRD谱图中于17.9°处出现一明显的小锐峰,结合催化剂结构和性能的研究结果,发现该峰的出现是催化剂表现出高催化活性的关键,然而未能找到与该峰匹配的XRD标准卡片.因为该峰的出现是由B、P共同掺杂所致,据此推测:该衍射峰有可能与Pd和非金属B、P形成复合晶体相关.为进一步探究Pd-B-P/C催化剂表现出高活性的原因,对其进行了EDX、ICP-AES和XPS谱学分析.
图3 Pd/C和Pd-P/C(a)以及Pd-B/C和Pd-B-P/C(b)催化剂的Pd-3d的XPS谱图
Fig.3 XPS spectra of Pd-3d of the catalysts Pd/C and Pd-P/C(a),Pd-B/C and Pd-B-P/C(b)
实验中利用EDX对Pd-B-P/C催化剂进行了元素分析,在催化剂中明显检测出B、P元素的存在,说明使用NaH2PO2·H2O和DMAB作为还原剂能够实现B、P两种非金属元素共同掺杂.进一步利用ICP-AES对Pd-B-P/C催化剂的元素组成进行了精确测定,结果显示Pd的负载量为3.58%(质量分数),和理论值4%比较接近,说明还原后所得的Pd纳米粒子基本分散在载体上,且催化剂中n(Pd):n(B):n(P)=100:36:7,与加入的还原剂中Pd和B、P的摩尔比(n(Pd):n(B)=1:40,n(Pd):n(P)=1:60)相比,说明只有微量的B、P能够掺杂入Pd基催化剂.此外,ICP-AES结果显示Pd-B-P/C中B的质量分数为0.131 3%,而传统NaBH4还原得到的Pd-B/C中B质量分数仅为0.077%,可见使用DMAB作为还原剂能够实现B更高效地掺杂.
图3为Pd/C、Pd-P/C、Pd-B/C和Pd-B-P/C 4种催化剂的XPS谱图(C-1s 284.5 eV校正),Pd/C和Pd-P/C催化剂表面Pd的3d5/2/3d3/2结合能分别为334.7 eV/339.7 eV和334.7 eV/340.0 eV; Pd-B/C和Pd-B-P/C催化剂表面Pd的3d5/2/3d3/2结合能分别为335.6 eV/340.8 eV和335.7 eV/340.9 eV; 比较发现,掺杂P的Pd-P/C较Pd/C在Pd-3d峰处的结合能变化基本可以忽略,同样在Pd-B/C和Pd-B-P/C催化剂中也观察到这一现象,表明P的掺杂对于Pd基电性质的影响并不大,这和文献[13]的结果很好地吻合.而掺杂了B的Pd-B/C和Pd-B-P/C较Pd/C中Pd的3d5/2峰出现了较大的位移(0.9和1.0 eV),这是B向Pd发生部分电子转移的结果[11].可以看出,和P掺杂相比,B能够较大程度地改变Pd的电性质.这一方面可能与B的掺杂量有关,由于Pd-B-P/C催化剂中 B的掺杂量远远高于P(n(Pd):n(B):n(P)=100:36:7),相应地引起的电子效应更明显; 另一方面可能源于B的原子尺寸比Pd小得多,在与Pd形成合金的过程中更容易进入Pd的晶格内部,而不是替代晶格中的Pd原子,而且B与Pd形成合金的过程中,B表现为电子给予体,导致B的原子尺寸进一步收缩,更加有利于掺杂入Pd的晶格中[14]; 然而XPS谱图中并未发现B-1s、P-2p的峰,这可能是由于B、P存在于Pd纳米粒子的内部,进入Pd纳米粒子晶格所致[13].
实验中考察了反应物的浓度对反应活性的影响,图4(a)示出Pd-B-P/C催化剂在不同FA和SF混合液(c(FA):c(SF)=1:3)浓度条件下,反应产生的气体随时间的变化.由图可知,当FA和SF混合液浓度较低时,随着反应物浓度的增加反应速率明显加快,当浓度增大到4 mol/L时,继续加大反应物浓度,反应速率变化不大.因此,确定反应物总浓度为4 mol/L,进一步改变FA和SF的浓度比,考察其对反应活性的影响.图4(b)示出不同FA和SF浓度比下反应前10 min的TOF.可以看出,当c(FA):c(SF)=1:3时,FA分解反应的TOF最大; 没有FA存在时,单纯的SF无法分解产生氢气; 而没有SF作为添加剂,FA的分解也很难进行.
反应条件:56 mg Pd-B-P/C催化剂,303 K;(a)20 mL反应液(c(FA):c(SF)=1:3,
FA和SF总浓度分别为1,2,4,6,8 mol/L);(b)20 mL反应液(FA和SF总浓度为4 mol/L).
研究考察了Pd/C、Pd-P/C、Pd-B/C、Pd-B-P/C 4种催化剂在不同反应温度下对FA分解的催化活性.图5为4种催化剂催化FA分解反应的TOF与温度的关系曲线(ln TOF vs 1/T),利用Arrhrnius公式计算出Pd/C、Pd-B/C、Pd-P/C和Pd-B-P/C催化FA分解反应的活化能(Ea)分别为36.72,36.87,31.71和27.53 kJ/mol.掺杂了B的Pd-B/C的反应活化能较Pd/C基本没有变化,但Pd-B/C催化FA分解的反应活性较Pd/C却得到了提高,这主要源于B的掺杂可以改变Pd的电性质,抑制Pd纳米粒子表面吸附有毒物质CO[11],从而表现出较高活性; 而掺杂了P的Pd-P/C和Pd-B-P/C催化FA分解的反应活化能较Pd/C明显降低,
图5 Pd/C(a)、Pd-P/C(b)、Pd-B/C(c)和Pd-B-P/C(d)催化下ln TOF对T-1曲线
Fig.5 Arrhrnius plot(ln TOF vs T-1)catalyzed by Pd/C(a),Pd-P/C(b),Pd-B/C(c)and Pd-B-P/C(d)
其中可能缘于P的掺杂改变了FA分解反应的历程,从而降低了FA分解反应的活化能,提高了FA分解制氢的效率.而B、P双掺杂的Pd-B-P/C能够同时结合B、P单掺杂的优势,从而实现了催化活性的大幅度提高.参考相关文献[15-18],推测Pd-B-P/C催化剂催化FA分解的机理大致如下:1)HCOOH→HCOO+H,反应第一步为吸附在催化剂活性位的FA失去一个H,这一过程在整个FA分解反应过程中起着关键作用,其中加入SF的目的就是促进这一步反应的进行; 2)HCOO→CO2+H,这一步是反应的限速步骤,吸附在活性位的HCOO通过β-H消除生成CO2和活性氢原子; 3)产生的活性氢原子反应产生氢气.结合谱学表征结果,推测通过B、P的掺杂改变了Pd的结构以及电性质,使吸附在活性位点的HCOO更加容易发生β-H消除反应,从而加速了整个反应的进行.
与近期相关文献[3,9,19-22]报道的Pd基催化剂对FA分解的TOF值相比(表1),显然,Pd-B-P/C具有更好的反应活性,且该催化剂为单金属负载型,制备方法简单,廉价非金属B、P的掺杂也降低了催化剂的成本.
表1 不同催化体系下FA分解反应的TOF和活化能
Tab.1 TOF and Ea values for decomposition of FA catalyzed by various catalyst systems
本研究联合使用NaH2PO2·H2O和DMAB作为还原剂,成功合成了一类B、P共掺杂的Pd-B-P/C催化剂,该催化剂对FA分解制氢具有较高催化活性和选择性,在303 K时,催化含1 mol/L FA和3 mol/L SF的混合液分解的前1 h的平均TOF达到798 h-1,分别是Pd/C、Pd-P/C和Pd-B/C的3.1倍、2.3倍和1.6倍.P的掺杂能够改变Pd基催化剂催化FA分解的反应历程,降低FA分解反应的活化能; B的掺杂能够改变Pd基的电性质,从而抑制Pd纳米粒子表面吸附有毒物质CO.Pd-B-P/C的XRD谱图在17.9°处出现了与其高催化活性紧密相关的新物相衍射峰,推测B、P的共同掺杂可能改变了Pd的晶体结构,进一步探讨该新物相的组成是下一步工作的方向.