离子聚合物微球负载钯催化甲酸分解产氢

邵守言 朱桂生 黄志军 王忠华 闫丰文

引用本文: 邵守言, 朱桂生, 黄志军, 王忠华, 闫丰文. 离子聚合物微球负载钯催化甲酸分解产氢[J]. 化学通报, 2020, 83(11): 1014-1018. shu
Citation:  Shao Shouyan, Zhu Guisheng, Huang Zhijun, Wang Zhonghua, Yan Fengwen. Formic Acid Decomposition to Hydrogen Catalyzed by Ionic Polymer Microspheres Supported Palladium[J]. Chemistry, 2020, 83(11): 1014-1018. shu

离子聚合物微球负载钯催化甲酸分解产氢

    通讯作者: 王忠华  女, 高工, 主要从事应用化工研究。E-mail:wangzhong_hua198@163.com
摘要: 催化甲酸分解产氢是氢气储存和氢能利用的重要途径。以对4-乙烯基吡啶和1,3,5-三(溴甲基)-2,4,6-三甲基苯为原料,通过季铵化和聚合制备了树枝状离子聚合物微球,负载Pd纳米粒子后用于催化甲酸分解产氢。微球的离子交换性能及含N特性使制备的Pd纳米粒子具有高分散性、小尺寸、均一粒径和优化的电子结构。考察了甲酸浓度和反应温度对产氢速率的影响。结果表明,在50℃、甲酸浓度为1mol/L、甲酸与钯摩尔比为200、甲酸与甲酸钠摩尔比为3的优化反应条件下,甲酸完全分解时间为30min。催化剂使用4次后活性无明显下降。

English

  • 氢能是一种可再生清洁能源,可通过电化学或燃烧分别转化为电能和热能[1]。水是唯一的转化产物,不产生环境污染。氢气质量能量密度高,接近汽油的三倍[2]。制约氢能工业化应用的瓶颈之一是氢气的储存。甲酸的氢含量高(53g·L-1),无毒且易储存运输,可由生物质转化或光/电催化CO2加氢制备,是理想的储氢材料[3]。因此,甲酸可控分解产氢受到研究者的广泛关注,该过程的关键是催化剂的开发。均相催化剂活性和但不易分离和重复使用;近年来,研究者把目光转向了更有前途的多相催化剂[4]。Pd基多相催化剂活性和产物选择性高,反应条件温和,是研究的热点。载体对催化性能有重要影响[5]。富含N载体中,N原子的孤对电子与Pd形成配位,可稳定Pd纳米粒子(Pd NPs),提高其分散性。例如,与不含胺基的介孔分子筛MSF和KIT-6相比,氨基功能化的介孔硅分子筛KCC-1负载Pd NPs的活性最高,转化频率为332h-1[6]。氨基的存在减小了Pd NPs的粒径(2.8nm),并使其均匀分散在载体表面;N原子的配位作用还可改善Pd NPs的电子结构。同位素示踪研究发现,介孔石墨相氮化碳(g-C3N4)中的氨基功能基团有利于电子由载体向PdAg NPs迁移,提高了催化剂的光催化甲酸分解活性[7]。此外,含氮功能基团的碱性能促进甲酸中O─H键的断裂。以三聚氰胺-间苯二酚-甲醛为前体制备含N的多孔碳凝胶,当N含量为4(wt)%时,催化活性最高[8]。N原子赋予碳凝胶较强的路易斯碱性,加速了甲酸中O─H键的断裂,并增强了产物H2的脱附性能。

    目前,用于甲酸分解的催化剂载体多为孔结构,受扩散影响较大[9]。纳米微球的活性位点分布在球体表面,有利于反应物与产物的扩散。本文报道富含N的树枝状离子聚合物微球负载的Pd NPs(Pd/DIPMS)的制备, 并研究了其催化甲酸分解产氢的性能,考察了甲酸浓度和反应温度对产氢速率的影响。

    4-乙烯基吡啶(96%)、5(wt)% Pd/C(Alfa);Na2PdCl4(98%)、NaBH4(98%)、K2S2O8(99.5%)(阿拉丁);CH2Cl2(分析纯,国药试剂);1, 3, 5-三(溴甲基)-2, 4, 6-三甲基苯(98%,TCI)。

    日本电子公司JEM-2011型透射电镜、S-4300型扫描电镜;英国VG科学仪器公司ESCALAB220I-XL型X射线光电子能谱仪;日本理学公司D/max 2500型X射线粉末衍射仪;日本岛津GC-2014型气相色谱;德国Bruker Avance Ⅲ 400 HD液体核磁共振谱仪;德国APEX Ⅱ型傅立叶变换离子回旋共振质谱仪。

    将3.15g(30mmol)4-乙烯基吡啶加入60mL CH2Cl2中,搅拌10min至完全溶解。缓慢滴入含有3.99g(10mmol)1, 3, 5-三(溴甲基)-2, 4, 6-三甲基苯的20mL CH2Cl2溶液,产生白色沉淀。继续搅拌30min,过滤后用CH2Cl2洗涤3次,60℃下真空干燥过夜,得到聚合单体,产率97%。1H NMR(400MHz,D2O)δ:8.58(d,6H),8.05(d,6H),6.95(m,3H),6.45(d,3H),6.00(t,9H),2.33(s,9H)。ESI-MS m/z:C33H36N3Br3{[M-2Br-]2+/2},理论值:277.3,实测值:277.2。

    将5g聚合单体于70℃下溶解于100mL去离子水中,搅拌下缓慢滴入5mL的K2S2O8(50mg)水溶液。反应30min后过滤。依次用去离子水洗涤3次,乙醇洗涤1次,60℃下真空干燥过夜,得到淡黄色固体DIPMS。

    将0.98g DIPMS加入50mL去离子水中,超声分散5min。将55.6mg Na2PdCl4溶解于5mL去离子水,搅拌下缓慢加入到DIPMS的水悬浮液中。继续搅拌30min后过滤,用去离子水洗涤3次后加入50mL去离子水并超声分散5min。快速搅拌下加入5mL新配制的NaBH4(3.6mg)水溶液。搅拌5min后过滤,依次用去离子水洗涤3次,乙醇洗涤1次。60℃下真空干燥过夜,得到催化剂金属含量为2(wt)%的Pd/DIPMS。其他催化剂依次经浸渍Pd前驱体、干燥、300℃下H2还原制备,Pd含量为2(wt)%。

    甲酸分解析氢反应在20~60 ℃下进行。分别将53mg催化剂和1mL去离子水加入到反应管中,超声分散5min。快速加入甲酸(2mmol)和甲酸钠(0.67mmol)混合物水溶液。生成气体的体积通过排水法测量,用气相色谱分析气体成分。

    催化剂制备过程如图 1所示。4-乙烯基吡啶和1, 3, 5-三(溴甲基)-2, 4, 6-三甲基苯通过季铵化反应合成聚合单体。以K2S2O8为引发剂,于70℃下反应30min,得到DIPMS。图 2是聚合物的SEM图。由图可以看出,聚合物呈近球形,这是因为与其他结构相比,球体的表面能低,是最稳定的纳米结构。纳米微球的直径为200~400 nm,大量的极性吡啶基团赋予微球良好的亲水性,使其可稳定地分散在水中[10],这有利于金属催化剂的负载、水相催化反应的传质以及甲酸的吸附。N2吸附-脱附实验表明,DIPMS的比表面积较低,为6.34m2 ·g-1,说明DIPMS没有发达的孔结构。

    图 1

    图 1.  催化剂的制备过程
    Figure 1.  Synthesis process of the catalyst

    图 2

    图 2.  DIPMS的SEM图
    Figure 2.  SEM images of DIPMS

    经离子交换,将PdCl42-锚定在聚合物微球表面。为了获得活性催化剂,用强还原剂NaBH4还原PdCl42-,得到催化剂Pd/DIPMS。图 3(a)的TEM图表明,所得Pd NPs为球形,均匀地分布在载体表面,无明显团聚。高倍TEM图测定的晶格间距为0.24nm,对应于Pd(111)晶面。分析了200个Pd NPs,显示其粒径在0.7~4.0 nm之间,平均粒径为2.1nm。这表明Pd NPs的尺寸较小,且分布均一。Pd NPs的高分散性、小尺寸和均一粒径得益于载体的特殊结构。首先,前驱体PdCl42-和离子聚合物之间的强离子键有利于Pd物种在载体表面均匀分布[11];其次,载体中N原子的孤对电子与Pd形成配位,起到稳定Pd NPs的作用[12]。通过XRD对Pd/DIPMS的晶体结构进行分析。在2θ为10°~40°处有一宽峰,说明载体DIPMS为无定形结构。虽然高倍TEM显示Pd NPs为晶相结构,但XRD谱图中无Pd的特征峰。这是因为Pd的含量较低(2(wt)%),但所形成的Pd NPs粒径小(2.1nm),分散性好。

    图 3

    图 3.  Pd/DIPMS的TEM图(a)和XRD谱图(b)
    Figure 3.  (a) TEM images and (b) XRD pattern of Pd/DIPMS

    进一步通过XPS分析了载体和Pd NPs之间的相互作用,并与商用Pd/C进行了比较,结果见图 4。Pd/DIPMS的Pd 3d5/2被分成3个峰,分别对应Pd(0)、Pd(Ⅱ)和Pd(Ⅳ),结合能分别为334.6、336.1和337.2 eV。这说明Pd/DIPMS中部分Pd被空气中的氧气氧化成PdO和PdO2[13]。与Pd/C对比,Pd/DIPMS中金属态Pd的含量更高,表明其抗氧化性强,稳定好。这与文献报道的g-C3N4负载的Pd纳米片结果一致[14]。另外,Pd/DIPMS中金属态Pd的结合能与Pd/C中的金属态Pd相比,向低能方向位移了0.6eV,说明其电子云密度大。这是因为N的配位作用增加了Pd原子的电子云密度,优化了其电子结构。

    图 4

    图 4.  Pd/DIPMS和Pd/C的Pd 3d5/2XPS谱图
    Figure 4.  Pd 3 d5/2XPS spectra of Pd/DIPMS and Pd/C

    以甲酸钠为添加剂,甲酸与甲酸钠摩尔比为3、甲酸与Pd摩尔比为200的条件下,考察Pd/DIPMS催化甲酸分解产氢性能。用气相色谱分析产物后发现,所得气体为H2和CO2。产物中没有CO,说明产物的选择性为100%。

    2.2.1   甲酸浓度的影响

    首先研究了甲酸浓度(0.25~4 mol/L)对产氢速率的影响。如图 5所示,在反应温度为50℃、甲酸浓度为0.25mol/L时,气体(H2+CO2)的体积随时间延长缓慢增加,50min后气体体积达到65.9mL;甲酸浓度提高到0.5mol/L,产氢速率略有增加;当甲酸浓度为1mol/L时,产氢速率大幅提高,甲酸在30min内反应完全,气体体积为93.1mL;提高甲酸浓度到2 mol/L时,产氢速率无明显变化;继续提高甲酸浓度到4mol/L,产氢速率大幅下降。这说明较佳的甲酸浓度为1~2 mol/L,同时说明水在甲酸分解过程中起重要作用。高甲酸浓度下,水含量低,产氢速率低;低甲酸浓度下,水与甲酸在催化剂表面形成竞争吸附,占据了活性位点,降低了产氢速率。

    图 5

    图 5.  甲酸浓度对产氢速率的影响
    Figure 5.  Effect of formic acid concentration on hydrogen production rate
    2.2.2   反应温度的影响

    反应温度是影响甲酸分解的重要因素。如图 6所示,在甲酸浓度为1mol/L、反应温度为20℃时,甲酸可以分解,但速率较低;随反应温度的升高,产氢速率大幅提高,说明高温有利于甲酸分解产氢;温度升高到40℃时,甲酸在45min内实现了完全转化;当温度升高到60℃后,甲酸完全分解时间缩短到25min。

    图 6

    图 6.  反应温度对产氢速率的影响
    Figure 6.  Effect of reaction temperature on hydrogen production rate
    2.2.3   载体的影响

    为了考察载体对催化性能的影响,研究了以活性炭、还原氧化石墨烯(r-GO)、g-C3N4和SiO2为载体负载Pd催化剂的甲酸分解性能,结果见表 1。在相同反应条件(50℃,甲酸浓度1mol/L,甲酸与钯摩尔比为200,甲酸与甲酸钠摩尔比为3,30min)下,Pd/DIPMS催化活性最高,所得气体体积为93.1mL。Pd/g-C3N4也具有较高的活性,30min内产生了40.8mL气体。这主要是因为DIPMS和g-C3N4有大量含N碱性功能基团[15]。甲酸吸附于碱性位点,O-H键断裂,并与Pd结合,形成金属甲酸盐。N的电子效应提高了Pd催化C-H键断裂的活性,加速了析氢反应。此外,Pd NPs分布在DIPMS表面,有利于反应物的扩散。

    表 1

    表 1  不同催化剂的产氢性能
    Table 1.  Performances of different catalysts for hydrogen production
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    催化剂 Pd/DIPMS Pd/C Pd/r-GO Pd/g-C3N4 Pd/SiO2
    气体体积/mL 93.1 8.9 22.3 40.8 2.0
    2.2.4   催化剂稳定性

    多相催化剂的优点是可回收并重复使用。因此,催化剂的稳定性是影响其商业化应用的重要因素。在甲酸浓度为1mol/L、50℃的反应条件下考察了催化剂的重复使用性能。图 7表明,重复使用4次后,Pd/DIPMS的催化活性没有明显下降,甲酸在35min内完全分解,说明Pd/DIPMS具有较高的稳定性。这主要是因为树枝状离子聚合物微球的特殊结构赋予了Pd NPs高稳定性,且温和的甲酸分解反应条件不足以使Pd/DIPMS失活。

    图 7

    图 7.  Pd/DIPMS的重复使用性能
    Figure 7.  Recyclability of Pd/DIPMS

    对反应后的Pd/DIPMS进行了表征。Pd NPs的尺寸、形貌和分散性在反应后无明显变化(图 8(a))。通过XPS分析了反应后Pd的化学态。如图 8(b)所示,Pd 3d5/2在结合能为334.6、336.1和337.3 eV处被分成3个峰,分别对应Pd(0)、Pd(Ⅱ)和Pd(Ⅳ)。这与反应前的数据一致,进一步验证了Pd/DIPMS在催化甲酸分解过程中的稳定性。

    图 8

    图 8.  反应后Pd/DIPMS的TEM图(a)和Pd 3d5/2XPS谱图(b)
    Figure 8.  (a) TEM image and (b) Pd 3d5/2 XPS spectra of Pd/DIPMS

    本文制备了一种树枝状离子聚合物微球负载的Pd NPs,并研究了其催化甲酸分解制氢性能。微球的离子交换性能以及含N特性使得到的Pd NPs具有高分散性、小尺寸和均一粒径。催化甲酸分解试验表明,所得催化剂活性高,并可重复使用。在50℃、甲酸浓度为1mol/L、甲酸与钯摩尔比为200、甲酸与甲酸钠摩尔比为3的优化反应条件下,甲酸完全分解时间为30min。优异的催化性能得益于载体的微球结构降低了扩散限制,N原子的配位效应优化了Pd的电子结构,碱性增强了甲酸的吸附与催化O—H键断裂能力。


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  • 图 1  催化剂的制备过程

    Figure 1  Synthesis process of the catalyst

    图 2  DIPMS的SEM图

    Figure 2  SEM images of DIPMS

    图 3  Pd/DIPMS的TEM图(a)和XRD谱图(b)

    Figure 3  (a) TEM images and (b) XRD pattern of Pd/DIPMS

    图 4  Pd/DIPMS和Pd/C的Pd 3d5/2XPS谱图

    Figure 4  Pd 3 d5/2XPS spectra of Pd/DIPMS and Pd/C

    图 5  甲酸浓度对产氢速率的影响

    Figure 5  Effect of formic acid concentration on hydrogen production rate

    图 6  反应温度对产氢速率的影响

    Figure 6  Effect of reaction temperature on hydrogen production rate

    图 7  Pd/DIPMS的重复使用性能

    Figure 7  Recyclability of Pd/DIPMS

    图 8  反应后Pd/DIPMS的TEM图(a)和Pd 3d5/2XPS谱图(b)

    Figure 8  (a) TEM image and (b) Pd 3d5/2 XPS spectra of Pd/DIPMS

    表 1  不同催化剂的产氢性能

    Table 1.  Performances of different catalysts for hydrogen production

    催化剂 Pd/DIPMS Pd/C Pd/r-GO Pd/g-C3N4 Pd/SiO2
    气体体积/mL 93.1 8.9 22.3 40.8 2.0
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  • 发布日期:  2020-11-01
  • 收稿日期:  2020-05-21
  • 接受日期:  2020-06-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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