均分散镍纳米颗粒复合钛氧化物催化剂温和高效分解纤维素制氢

摘要

氢气是理想的清洁能源，由可再生的生物质制备氢气对解决化石能源危机具有重要的意义。目前，以环境友好的液相重整方法从纤维素中制备氢气仍需高温（250℃以上），因此设计高效的催化剂对解决该问题至关重要。本论文设计出具有协同作用的均分散镍纳米颗粒复合钛氧化物催化剂，实现了温和、高效地从纤维素中制取氢气。具体研究结果如下: (1)利用水滑石层板阳离子均匀分散的特点，通过还原镍钛水滑石前体，得到均分散镍纳米颗粒复合二氧化钛催化剂。该催化剂可使纤维素在180℃温和条件下高效产氢31.6 mmol/gcellulose/gcatalyst，高于文献中260℃的产氢量（17.8 mmol/gcellulose/gcatalyst）。 (2)通过均分散镍纳米颗粒复合二氧化钛催化剂与同样由水滑石前体法制得的Ni-Al2O3、Co-TiO2以及单独Ni、TiO2对比，证明了Ni与TiO2之间存在协同作用。TiO2不仅能在液相重整纤维素制氢的同时引入光催化辅助，而且可提高Ni表面电子云密度，有利于选择性吸附低电子云密度的C-C键，促进对提高氢气选择性至关重要的C-C键断裂，大大提高产氢量。 (3)调变均分散镍纳米颗粒复合二氧化钛催化剂中Ni粒径尺寸，发现反应活性随着粒径的减小而增强。调变均分散镍纳米颗粒复合二氧化钛催化剂中TiO2的晶相组成，发现TiO2晶相接近P25晶相组成时光催化贡献达到极值。 (4)以镍钛水滑石为前体将钛氧化物扩展至Ni2TiO4-NiTiO3，Ni-Ni2TiO4-NiTiO3催化剂可液相重整纤维素产氢11.2mmol/gcellulose/gcatalyst。该催化剂具有良好的重复使用性，使用五次后，仍可催化纤维素产氢10.0 mmol/gcellulose/gcatalyst。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物质能

1．2 生物质制氢

1．3 液相重整(APR)生物质制氢

1．3．1 液相重整生物质制氢的反应机理

1．3．2 液相重整生物质制氢的研究现状

1．3．3 目前存在的问题

1．4 光催化生物质制氢

1．4．1 概述

1．4．2 催化剂研究现状

1．5 水滑石材料的结构特点及应用

1．6 论文选题目的和意义

1．7 论文研究思路及研究内容

1．7．1 研究思路

1．7．2 研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验主要试剂和仪器

2．1．1 主要试剂

2．1．2 主要仪器

2．2 催化剂的制备

2．2．1 催化剂设计

2．2．2 水滑石前体的合成

2．2．3 Ni复合TiO2催化剂的制备

2．2．4 Ni复合Ni2TiO4-NiTiO3催化剂的制备

2．2．5 对比催化剂的制备

2．3 表征

2．3．1 X-射线粉末衍射(XRD)

2．3．2 扫描电镜(SEM)

2．3．3 高分辨透射电镜(HRTEM)

2．3．4 程序升温还原(TPR)

2．3．5 等离子体电感耦合光谱发射仪(ICP)

2．3．6 X射线光电子能谱(XPS)

2．4 催化评价

第三章 结果与讨论

3．1 纤维素制氢反应中Ni与TiO2间的协同效应

3．1．1 水滑石前体法制备的Ni-TiO2催化剂结构特征

3．1．2 纤维素制氢反应中Ni与TiO2协同效应的研究

3．2 纤维素制氢反应中液相重整性能的强化

3．2．1 Ni-TiO2催化剂中Ni粒径尺寸调控

3．2．1 Ni粒径尺寸调控与纤维素制氢催化性能的关联

3．3 纤维素制氢反应中光催化性能的强化

3．3．1 光催化组分TiO2晶相的调控

3．3．2 TiO2晶相调控与催化纤维素产氢性能的关联

3．4 催化剂的结构稳定性与重复使用性

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

附录