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浙江理工大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系Benxia Li等--堿溶液中甲醛的碳催化氧脫氫高效制氫

我們報(bào)道了一種在堿性溶液中以碳納米管(CNTs)為催化劑，通過(guò)一種獨(dú)特的涉及分子O2的反應(yīng)機(jī)制來(lái)脫氫甲醛的有效過(guò)程。與其他碳基催化劑相比，碳納米管的優(yōu)異催化性能歸因于其表面富含sp2-碳、親水性和豐富的表面缺陷，這是最可能的活性位點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管上吸附的分子氧的活化產(chǎn)生的過(guò)氧化物是C-H活化的關(guān)鍵，可以有效地制氫。高性價(jià)比的碳基脫氫催化劑為新型液態(tài)有機(jī)載氫技術(shù)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

圖1. (a)空氣中各種碳材料催化堿性甲醛溶液催化制氫。(b)各種碳材料上HCHO脫氫活化能的Arrhenius分析。(c)不同p_O2中CNTs催化堿性甲醛溶液制氫。(d)對(duì)p_O2產(chǎn)生H₂的初始速率的雙對(duì)數(shù)圖;插圖顯示了p_O2隨時(shí)間的變化。

圖2 (a)各種碳材料的c1s XPS。(b)各種碳材料的接觸角分析。(c) O 1s CNTs、c-CNTs和r-CNTs的XPS。(d) CNTs、c-CNTs和r-CNTs催化HCHO脫氫過(guò)程中隨時(shí)間產(chǎn)生的氫。

圖3. (a)連續(xù)5個(gè)反應(yīng)循環(huán)中，碳納米管的H2產(chǎn)率和碳納米管的缺陷程度(通過(guò)拉曼光譜的ID/IG表征)。在每個(gè)循環(huán)中，反應(yīng)物為HCHO濃度為¼0.5 mol L × 1的水溶液，NaOH濃度為¼1.0 mol L × 1的水溶液。(b)循環(huán)x后CNTs的拉曼光譜(表示CNT-x)。碳納米管樣品(c)反應(yīng)前和(d)反應(yīng)5個(gè)循環(huán)后的TEM圖像。(c)和(d)的插圖顯示了相應(yīng)樣品的SEM圖像。(e，f)反應(yīng)前和反應(yīng)5個(gè)循環(huán)后的HRTEM圖像。

圖4. 在空氣中堿性溶液中，碳納米管催化水相HCHO脫氫過(guò)程中記錄的DMPO加合物。(b) DMPO在堿性HCHO溶液中加入CNT懸浮液，在N2氣氛中。(c) DMPO在無(wú)naoh的HCHO溶液中與CNT懸浮在空氣中。(d)暴露于一滴HCHO溶液并在O2流下凈化后的CNTs原位漂移。

圖5 碳納米管上氧介導(dǎo)水相脫氫HCHO的關(guān)鍵基本步驟。

相關(guān)科研成果由浙江理工大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系Benxia Li等人于2022年發(fā)表在international journal of hydrogen energy (https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.06.134)上。原文：Carbon-catalyzed oxygen-mediated dehydrogenation of formaldehyde in alkaline solution for efficient hydrogen production。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)

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