Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒的制备及催化制氢活性

doi:10.7503/cjcu20140362

高等学校化学学报 ›› 2014, Vol. 35 ›› Issue (10): 2164.doi: 10.7503/cjcu20140362

Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒的制备及催化制氢活性

李文绮^1,², 赵万国^1,², 周兴赟^1,², 苏丽^1,², 张海军^1,²(), 鲁礼林³, 张少伟^1,²

1. 武汉科技大学, 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 武汉 430081
2. 武汉科技大学, 材料与冶金学院, 武汉 430081
3. 武汉科技大学,化学工程与技术学院, 武汉 430081

收稿日期:2014-04-18 出版日期:2014-10-10 发布日期:2014-09-17
作者简介:联系人简介: 张海军, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事金属催化材料研究. E-mail: zhanghaijun@wust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(批准号: 51272188)、湖北省自然科学基金重点项目(批准号: 2013CFA086)和湖北省科技支撑计划对外科技合作项目(批准号: 2013BHE002)资助

Fabrication and Catalytic Activity of Pt/Ni/Fe Trimetallic Nanoparticles for Hydrogen Generation from NaB $H 4 †$

LI Wenqi^1,², ZHAO Wanguo^1,², ZHOU Xingyun^1,², SU Li^1,², ZHANG Haijun^1,^2,^*(), LU Lilin³, ZHANG Shaowei^1,²

1. The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy
2. College of Materials and Metallurgy
3. College of Chemical Engineering and Technology, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China

Received:2014-04-18 Online:2014-10-10 Published:2014-09-17
Contact: ZHANG Haijun E-mail:zhanghaijun@wust.edu.cn
Supported by:
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51272188), the Natural Science Foundation of Hubei Province, China(No.2013CFA086) and the Foreign Cooperation Projects in Science and Technology of Hubei Province, China(No.2013BHE002)

摘要/Abstract

摘要：

采用化学共还原方法制备了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)保护的Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒, 对所合成的纳米颗粒进行了表征, 研究了三金属纳米颗粒的化学组成对其催化NaBH₄制氢的影响. 研究结果表明, Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒的平均粒径在2 nm左右, Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒催化活性高于Pt, Ni或Fe单金属纳米颗粒和Pt/Ni, Pt/Fe或Ni/Fe双金属纳米颗粒的催化活性, 其中Pt₁₀Ni_78.75Fe_11.25三金属纳米颗粒的催化活性最高, 30 ℃时, 其催化活性可达63.920×10³ mo $l H 2$ /(mol_Pt·h). Pt/Ni/Fe三金属纳米溶胶催化剂具有很好的催化稳定性, 10次重复催化实验后, 该催化剂依然可以保持较高的催化活性. 该三金属纳米溶胶催化NaBH₄水解反应的活化能为52 kJ/mol.

关键词: Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒, NaBH4水解制氢, 催化活性, 聚乙烯吡咯烷酮

Abstract:

Poly-(N-vinyl-2-pyrrolidone)(PVP)-protected Pt/Ni/Fe trimetallic nanoparticles(TNPs) were prepared using a chemical co-reduction method. The obtained TNPs were characterized by transmission electron microscopy(TEM). The effects of metal compositions on the hydrolysis reaction of the alkaline NaBH₄ solution were studied. The results indicated that the prepared Pt/Ni/Fe TNPs had an average size of 2 nm. The activities of TNPs were much higher than that of Fe, Ni and Pt monometallic nanoparticles(MNPs) and Ni/Fe, Pt/Fe and Pt/Ni bimetallic nanoparticles(BNPs). Among all the synthesized MNPs, BNPs and TNPs, Pt/Ni/Fe TNPs with molar ratio of 10∶78.75∶11.25 displayed the highest catalytic activity, showing a high hydrogen release rate of 63.920×10³ mo $l H 2$ /(mol_Pt·h) at 30 ℃. The corresponding apparent activation energy for the hydrolysis reaction of the alkaine NaBH₄ solution over the Pt₁₀Ni_87.75F $e 1 1.25$ TNP is about 52 kJ/mol. In addition, the prepared Pt/Ni/Fe TNPs had a good catalytic stability, which kept a high activity even after 10-run catalytic evaluation.

Key words: Pt/Ni/Fe trimetallic nanoparticles, Hydrogen generation from NaBH4, Catalytic activity, Poly(N-vinyl-2-pyrroli-done)

中图分类号:

O643.36

TrendMD:

李文绮, 赵万国, 周兴赟, 苏丽, 张海军, 鲁礼林, 张少伟. Pt/Ni/Fe三金属纳米颗粒的制备及催化制氢活性. 高等学校化学学报, 2014, 35(10): 2164.

LI Wenqi, ZHAO Wanguo, ZHOU Xingyun, SU Li, ZHANG Haijun, LU Lilin, ZHANG Shaowei. Fabrication and Catalytic Activity of Pt/Ni/Fe Trimetallic Nanoparticles for Hydrogen Generation from NaB $H 4 †$ . Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(10): 2164.

图/表 8

Fig.1 TEM images of Pt/Ni/Fe nanosols (A) Pt; (B) Pt20Ni80; (C) Pt20Ni70Fe10; (D) Pt10Ni87.75Fe11.25.

Fig.2 Size distribution histograms of Pt/Ni/Fe nanosols (A) Pt; (B) Pt20Ni80; (C) Pt20Ni70Fe10; (D) Pt10Ni87.75Fe11.25.

Fig.3 Catalytic activities of Fe, Pt and Ni monometallic nanoparticles, Ni/Fe, Pt/Fe and Pt/Ni bimetallic nanoparticles, Pt20Ni70Fe10 trimetallic nanoparticles and a physical mieture of Pt, Ni and Fe nanoparticles(20∶70∶10, molar ratio)

Fig.4 Influence of Ni/Fe composition on the hydrogen generation from the hydrolysis reaction of alkaline NaBH4 solution of Pt/Ni/Fe trimetallic nanoparticles a. Pt/Ni; b. Pt20Ni70Fe10; c. Pt20Ni60Fe20; d. Pt20Ni40Fe40; e. Pt20Ni30Fe50; f. Pt/Fe.

Fig.5 DFT calculations of electronic structure of Pt12Ni37Fe6 TNPs Orange, Fe; blue, Pt; green, Ni.

Fig.6 Influence of metal composition on the hydrogen generation from the hydrolysis reaction of alkaline NaBH4 solution of Pt/Ni/Fe trimetallic nanoparticles with n(Ni)/n(Fe)=7/1 Molar ratio of Pt/Ni/Fe: a. 0∶87.5∶12.5; b. 5∶83.125∶11.875; c. 10∶87.75∶11.25; d. 15∶74.375∶10.625; e. 20∶70∶10. The unit of catalytic activity of Ni/Fe nanoparticle is mo l H 2 ·mo l cat - 1 ·h-1.

Fig.7 Long-term activity from hydrolysis reaction of NaBH4 solution catalyzed by Pt10Ni87.75Fe11.25 nanosol

Fig.8 Linear fit of lnk vs. T-1 of Pt10Ni87.75Fe11.25 catalyst for hydrogen generation from NaBH4

参考文献 22

[1]	Marrero-Alfonso E. Y., Beaird A. M., Davis T. A., Matthews M. A., Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48(8), 3703—3712
[2]	Liu H., Xu F., Sun L. X., Cao Z., Zhou H. Y., Chem. J. Chinese Universities,2013, 34(8), 1953—1958
	(刘昊, 徐芬, 孙立贤, 曹忠, 周怀营. 高等学校化学学报, 2013, 34(8), 1953—1958)
[3]	Li L. J., Zou J. X., Zeng X. Q., Ding W. J., Chem. J. Chinese Universities,2012, 33(10), 2158—2163
	(李龙津, 邹建新, 曾小勤, 丁文江. 高等学校化学学报, 2012, 33(10), 2158—2163)
[4]	Deng S. S., Xiao X. Z., Chen L. X., Han L. Y., Li S. Q., Ge H. W., Wang Q. D., Chem. J. Chinese Universities,2012, 33(9), 2030—2034
	(邓帅帅, 肖学章, 陈立新, 韩乐园, 李寿权, 葛红卫, 王启东. 高等学校化学学报, 2012, 33(9), 2030—2034)
[5]	Fan S. F., Chem. Propellants & Polymeric Mater., 2010, 8(2), 15—18
	(范士锋. 化学推进剂与高分子材料, 2010, 8(2), 15—18)
[6]	Kojima Y., Haga T., Int. J. Hydrogen Energy,2003, 28(9), 989—993
[7]	Schlesinger H. I., Brown H. C., Finholtae A. E., Gilbreath J. R., Hoekstra H. R., Hyde E. K., J. Am. Chem. Soc., 1953, 75(1), 215—219
[8]	Özkar S., Zahmakıran M., J. Alloy. Compd., 2005, 404—406, 728—731
[9]	Jiang H. L., Singh S. K., Yan J. M., Zhang X. B., Xu. Q., Chem.Sus.Chem., 2010, 3(5), 541—549
[10]	Wu C., Wu F., Bai Y., Yi B. L., Zhang H. M., Mater. Lett., 2005, 59(14/15), 1748—1751
[11]	Eom K. S., Cho K. W, Kwon H. S., J. Power Sources,2010, 35(1), 181—186
[12]	Hao W. C., Zhai T. T., Wang X., Wang T. M., Chem. J. Chinese Universities,2010, 31(6), 1213—1217
	(郝维昌, 翟亭亭, 王旭, 王天民. 高等学校化学学报, 2010, 31(6), 1213—1217)
[13]	Wang T., Zhang X. G., Li J. F., Qin P., Xia B. J., J. Fuel Chem. Tech., 2004, 32(6), 723—728
	(王涛, 张熙贵, 李巨峰, 钦佩, 夏保佳. 燃料化学学报, 2004, 32(6), 723—728)
[14]	Zhang X., Zhang F., Chan Y. K., Catal. Commun., 2004, 5(12), 749—753
[15]	Zhang H. J., Lu L. L., Cao Y. N., Du S., Cheng Z., Zhang S. W., Mater. Res. Bull., 2014, 49, 393—398
[16]	Zhang H. J., Okumura M., Toshima N., J. Phys. Chem. C,2011, 115(30), 14883—14891
[17]	Manukyan K. V., Cross A., Rouvimov S., Miller J., Mukasyan A. S., Wolf E. E., Appl. Catal. A., 2014, 476, 47—53
[18]	Wang H. L., Yan J. M., Wang Z. L., Jiang Q., Int. J. Hydrogen Energ., 2012, 37(13), 10229—10235
[19]	Wang Z. L., Ping Y., Yan J. M., Wang H. L., Jiang Q., Int. J. Hydrogen Energ., 2014, 39(10), 4850—4856
[20]	Kong D. C., Gu Y. J., Xiang S., Wang P., Cheng J., Zhang H. J., Zhang S. W., Chem. J. Chinese Universities,2013, 34(10), 2377—2382(孔德成, 古亚军, 向胜, 王鹏, 成君, 张海军, 张少伟. 高等学校化学学报, 2013, 34(10), 2377—2382)
[21]	Amendola S. C., Sharp-Goldman S. L., Janjua M. S., Kelly M. T., Petillo P. J., Binder M., J. Power Sources,2000, 85(2), 186—189
[22]	Kaufman C. M., Sen B., J. Chem. Soc. Dalton,1985, 2, 307—313

相关文章 15

[1]	韩志英,李佑稷,陈飞台,汤森培,王鹏. 同轴静电纺丝法制备ZnO/Ag₂O纳米纤维材料及其光电催化性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(2): 308.
[2]	任向荣,周琦. 纳米多孔Ni和NiO的制备及电催化析氧性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 162.
[3]	李晓莉, 黄亮, 段红娟, 张力, 张海军. 石墨烯负载Pt/Co双金属纳米颗粒催化剂的制备及催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1662.
[4]	宋西鹏, 刘金宇, 王丽华, 韩旭彤, 黄庆林. 聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的制备及钒液流电池性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(7): 1543.
[5]	董士刚, 高颖波, 官自超, 王海鹏, 王霞, 杜荣归, 宋光铃. 聚乙烯吡咯烷酮对模拟混凝土孔隙液中钢筋的缓蚀效应[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(6): 1260.
[6]	王斌, 乌英嘎, 刘哲林, 王晓红, 安智华, 曾俊, 杨鹏, 刘宗瑞. Keggin型多酸XW12 $O 40 n -$ (X=P5+, Si4+, B3+, Zn2+)对甲基橙的光催化降解活性[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(5): 1003.
[7]	赵彩秀, 杨溢, 刘一婷, 姜影, 袁芳, 王睿, 陈冬菊. 高通量聚苯并咪唑纳滤膜的结构调控及性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 785.
[8]	薛佼, 王润伟, 张宗弢, 裘式纶. 新型Zn²⁺掺杂C/Nb₂O₅纳米催化剂的制备及光催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 319.
[9]	陈晨, 李丽, 陈金华, 张小华, 许杰, 李益波, 韦杰. Pt-CeO₂/聚苯乙烯磺酸盐功能化碳纳米管复合物的制备及对甲醇的电催化氧化性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(1): 157.
[10]	张丹枫, 张玉军, 喻国聪, 高文豪. 水杨醛亚胺镍配合物催化乙烯与甲基丙烯酸甲酯的共聚反应[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(11): 2082.
[11]	王志楠, 王继虓, 宋健, 高雪, 冯晓东, 孙立贤, 邢永恒. 三嗪吡唑类配位超分子化合物的合成、结构及光催化活性[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(8): 1478.
[12]	匡元江, 古瑶, 郭丽梅, 王海涛, 王恩君, 曹亚安. 四丁基氢氧化铵改性TiO₂的可见光催化活性[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(6): 1174.
[13]	王存国, 潘璇, 张雷, 朱孟康, 李德凯, 刁玲博, 李伟彦. 高容量锂离子电池核壳型硅/碳复合电极材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(2): 368.
[14]	张想, 张雷, 邹玥, 黄新华, 潘成岭, 侯长民, 徐吉庆. Bi₁₂SiO₂₀多级立方块的水热合成、表征及光催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(12): 2372.
[15]	刘亚冰, 段为杰, 崔小兵, 徐吉庆. 二维钨-钒簇聚物[Cu(en)₂]₂·[V^ⅤO₄₄{Cu(en)₂(H₂O)}₂]·3H₂O的合成与表征[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(1): 34.

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