制氢催化剂制备与性能研究

1.内容先进，符合我国发展清洁能源的需求和趋势。本书立足于对氨分解反应、氨硼烷水解反应、水分解反应等催化制氢反应的催化剂改性，对各种催化制氢材料进行了制备和性能测试。 2.全面性，本书包含利用计算模拟的方法对新型催化剂的结构设计以及催化机制的研究，通过总结“结构-能效”的关系，达到对新型催化剂的理性设计和性能调控，筛选出高催化活性的新型制氢催化剂。 3.参考性，本书可供从事制氢研究的工程技术人员，从事多相催化研究的科研人员、技术研发人员参考，也可供高等学校能源类、环境类等专业师生参阅。

近年来，全球能源需求不断增长，传统能源（石油和天然气等）的过度使用对环境产生了不利影响。因此，能源安全和环境保护是目前人类面临的严峻挑战。氢气无毒、质轻、燃烧性良好，在传统燃料中热值最高，是公认的清洁能源。发展氢能经济是人类摆脱对化石能源的依赖、保障能源安全的永续性战略选择。同时，氢能作为一种高效、清洁、可持续的“二次能源”，是世界能源转型发展的重要方向，是实现碳中和的重要能源形式。在碳中和的背景下，氢的绿色来源是构建氢能经济的重要问题，氢能获取与利用的核心关键为构建新型能源系统——“零碳能源”。因此，以氢能为主体的零碳利用能源系统将解决产氢、用氢、电气化、储运氢的问题，重点聚焦于氢能的高效制备与能源转化等方面，从而实现新能源的零碳利用和高效利用，推动零碳循环经济模式的建立。特别地，在制氢工艺过程中，90%以上的化学反应过程都是通过催化过程实现的。因此，引入高效的制氢催化剂可以有效地提高制氢反应的反应速率。然而，在实际过程中催化剂仍存在破碎、晶格形变、孔结构和比表面积变化、活性组分流失、反应产物在表面上结焦或积炭以及活性和选择性低等缺陷。
经过调研，目前国内外已出版的同类书多立足于制氢的工艺和工程层面，很少将重心聚焦在制氢催化剂的发展上。本书以制氢催化剂的制备与性能研究为主线，立足于对氨分解反应、氨硼烷水解反应、水分解反应和甲烷干重整反应等催化制氢反应的催化剂改性，对各种催化制氢材料进行制备和性能测试。此外，本书也包含基于计算模拟方法的新型催化剂的结构设计以及催化机制研究，通过总结“结构-能效”的关系，达到对新型催化剂的理性设计和性能调控的目的，最终筛选出高催化活性的新型制氢催化剂，旨在发展催化活性高、稳定性好和价格低廉的催化剂，以推进制氢催化剂的发展，为新型催化剂的开发提供新的思路和策略。
本书由张辉、陈鑫、葛性波著。感谢课题组成员为保证本书的质量和顺利出版所付出的艰辛劳动。另外，本书得到了“西南石油大学研究生教材建设项目资助”，在此作者一并表示感谢。
限于著者水平和编写时间，书中存在不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出修改建议。

著者
2022年3月

张辉，博士，教授，博士生导师。现任西南石油大学化学化工学院副院长。2009年07月毕业于四川大学（中法联合培养），获化学工艺专业博士学位。2012年02月-2013年06月在SABIC催化中心从事博士后研究工作，2015年09月-2016年07月在清华大学做国内访问学者，师从李亚栋院士。主要从事能源化工、无机纳米功能材料以及油田废水催化处理技术等方面教学科研工作。主持和参与科研项目4项，在国内外领域核心刊物发表SCI论文30余篇；申请发明专利6项，授权发明专利2项，其中美国授权专利1项，参与编写教材2部，获校级教学成果一等奖1项（排名第6名）。

本书首先简要介绍了国内外氢能的发展现状，综述了氨分解反应、氨硼烷水解反应、水分解反应制氢催化剂的研究进展；随后概述了相关反应的机理与特点，分章论述了氨分解、氨硼烷水解、水分解制氢反应催化剂的制备与性能研究；最后对其他制氢反应（甲酸分解和甲醇水蒸气重整）催化剂的相关工作进行了综述。
本书具有较强的创新性、应用性和针对性，可供从事制氢多相催化研究的科研人员、工程技术研发人员和管理人员参考，也可供高等学校能源工程、环境科学与工程、化学工程及相关专业师生参阅。

第1章绪论
1.1氢能发展现状001
1.2制氢方法概述002
1.3制氢催化剂研究进展003
1.3.1氨分解催化剂003
1.3.2氨硼烷水解催化剂009
1.3.3水分解催化剂012
参考文献016

第2章制氢反应
2.1氨分解反应021
2.1.1氨分解反应热力学021
2.1.2氨分解反应动力学022
2.2氨硼烷水解反应023
2.2.1氨硼烷结构特点023
2.2.2氨硼烷水解制氢机理024
2.3水分解反应024
2.3.1析氢反应024
2.3.2析氧反应026
2.3.3水分解电催化剂评价指标026
参考文献028

第3章氨分解制氢贵金属钌基催化剂
3.1概述031
3.2氮掺杂介孔碳负载钌催化剂032
3.2.1催化剂制备032
3.2.2催化剂结构表征033
3.2.3氨分解反应性能045
3.3钌基合金催化剂048
3.3.1催化剂制备049
3.3.2催化剂结构表征051
3.3.3氨分解反应性能058
3.4基于UiO-66系列衍生碳基材料负载钌基催化剂059
3.4.1催化剂制备060
3.4.2催化剂结构表征060
3.4.3氨分解反应性能068
参考文献071

第4章氨分解制氢非贵金属催化剂
4.1铁基催化剂073
4.1.1负载型氮化铁催化剂073
4.1.2基于Fe2O3构建氮化铁催化剂084
4.1.3氮化铁-钌双金属催化剂099
4.2钴基催化剂103
4.2.1载体对钴基催化剂催化性能的影响103
4.2.2助剂对碳纳米管负载钴基催化剂催化性能的影响112
4.3镍基催化剂121
4.3.1基于DFT方法研究Ni13、Cu13以及Ni12Cu团簇的氨分解反应活性121
4.3.2镍纳米粒子催化氨分解反应的尺寸效应126
参考文献136

第5章氨硼烷水解制氢催化剂
5.1概述139
5.2铂基催化剂139
5.2.1铂基纳米晶催化剂139
5.2.2碳纳米管负载铂基催化剂147
5.2.3碳限域铂基催化剂159
5.3铑基催化剂169
5.3.1铑纳米颗粒催化剂169
5.3.2负载型铑基纳米催化剂179
5.4非贵金属催化剂190
参考文献192

第6章水分解制氢贵金属催化剂
6.1概述196
6.1.1氧化铱粉体材料196
6.1.2金属掺杂氧化铱粉体材料198
6.1.3其他晶型结构铱基氧化物粉体材料200
6.2氧化铱薄膜催化剂202
6.2.1催化剂材料制备202
6.2.2旋涂条件优化203
6.2.3氯铱酸浓度的影响205
6.2.4煅烧温度的影响207
6.2.5等离子体处理的影响216
6.3铱基纳米粒子催化剂222
6.3.1材料制备222
6.3.2结构与成分表征224
6.3.3PVP含量对电化学性能的影响227
6.3.4CTAB含量对电化学性能的影响232
参考文献236

第7章水分解制氢非贵金属催化剂
7.1概述243
7.2镍基催化剂243
7.2.1阳极化处理镍铁合金条带243
7.2.2多孔镍铜纳米针阵列催化剂258
7.3铜基催化剂278
7.3.1化学刻蚀铜镁系列合金278
7.3.2CuO/ITO电极材料299
7.4铁基催化剂311
7.4.1阳极电沉积法制备铁基薄膜催化剂311
7.4.2逐步沉积法制备铁基薄膜催化剂339
7.5小结351
参考文献352

第8章其他制氢反应催化剂
8.1甲酸分解制氢催化剂358
8.1.1单金属催化剂358
8.1.2双金属催化剂360
8.2甲醇水蒸气重整制氢催化剂361
8.2.1Cu基催化剂361
8.2.2Zn-Cr催化剂361
8.2.3贵金属催化剂362
参考文献363