關于負載型CoP催化劑制備及硼氫化鈉水解制氫性能研究的“三喜二憂一思”

代一凡

【摘 要】本文就負載型CoP催化劑制備及硼氫化鈉水解制氫性能研究引發的“三喜二憂一思”。“三喜”源于制氫積極而深遠的影響及硼氫化鈉水解技術的顯著優勢以及負載型CoP催化劑良好的穩定性能及喜人的應用前景。“二憂”則源于對硼氫化鈉水解制氫成本居高不下及貴金屬催化劑依然占據主導地位的擔憂。進而引發積極尋求可代替硼氫化鈉原料“鈉”得其他材料以降低成本，使硼氫化鈉水解制氫技術得到更為廣泛應用的思考。同時也期待更多性能更好、成本更低、穩定性更強的催化劑催化劑研制成功并被廣泛應用入到制氫工業中。

【關鍵詞】制氫;硼氫化鈉水解;負載;CoP催化劑

如何探究和利用硼氫化鈉來制氫是中學生學習化學的一個重要內容。一般來說，可以從前期實驗藥品的準備、稱量到催化劑的合成過程，再到催化劑諸如形貌分析、組成測定以及晶體研究等表征手段，最后到硼氫化鈉水解制氫測試及其相關性能影響因素的進行深入探究，在不斷的探究過程中，引發了本人對負載型CoP催化劑制備及硼氫化鈉水解制氫更深入的思考。我將這種思考概括為“三喜”“兩憂”“一思”。“三喜”：

“一喜”：制氫帶來的積極而又深遠的影響

其實，實驗前對氫也只是稍有一點點了解，我在深入的探究過程中發現原來氫氣不僅能量密度非常高，熱值高達120 MJ·kg-1，是石油熱值的3 倍，而且其燃燒后產物為水，因而綠色環保無污染。此外，氫氣來源也非常廣泛且可循環使用中，因此被公認為是未來最為清潔高能的新型能源。另外，大量文獻中也提到：有效開發和利用氫可更好地緩解社會經濟高速發展對能源的需求增加與目前石化能源過度使用面臨逐漸枯竭之間的矛盾，有因其燃燒后產物為水，因而可更好地避免直接使用帶來的排放及對環境的污染問題，由此可見，它的有效開發及利用對節約能源、改善生存環境等方面有著如此積極而又深遠的影響，令人欣喜。

“二喜”：硼氫化鈉水解技術的顯著優勢

另外，在研究中，可以發現探究所采用的以硼氫化鈉水解來制氫這一技術前景也非常喜人。大量參考文獻中提到：目前制氫技術雖然多種多樣，不僅可以通過化學方法對化合物進行重整、分解、光解、水解等途徑獲取氫氣，還可通過電解水亦或利用產氫微生物發酵以及通過光合作用來制取，但在眾多制氫方式中，硼氫化鈉水解制氫有著其他方式所無法比擬的顯著優勢，因而備受關注。其優勢主要體現為：1.儲氫容量高。硼氫化鈉本身的儲氫量（質量分數，下同為 10.6%，其飽和水溶液質量分數可達35%，此時的儲氫量為7.4%）;2.產氫純度高。以硼氫化鈉水解來制取氫氣，不像電解水或者煤高溫氧化制氫一樣中間會伴隨O2、CO等雜質的產生，這種方式所產生的氫氣不含CO及其他雜質，只有少量的水分，因而不需純化不需要純化;3.反應溫度低一般常溫條件下即可（例如：我們在探究本次實驗時就將反應溫度設定在30℃）;4.反應條件簡單易控。就如第三條所述，硼氫化鈉水解制氫低溫下就可進行，且不需要提供額外的能量，只需控制流過催化劑的NaBH4溶液的量或與NaBH4溶液接觸的催化劑（表面積）的量，就可有效控制產氫量及產氫速度;5.安全性能高。NaBH4水溶液本身具有阻燃性，加入穩定劑后穩定性能更高，因而更能穩定存在于空氣中，安全方便;此外，反應產物易于回收，可有效提高能源循環利用率等，因而采用硼氫化鈉水解制氫被認為是目前最高效、安全、實用的現場和非現場的制氫技術，市場前景喜人。

“三喜”：利用負載型Cop催化制氫的非凡意義

除了制氫行動本身的積極而深遠的影響帶自己的驚喜外，前面也談到了還欣喜于氫氧化鈉水解這一制氫技術的獨特優勢，而第三重驚喜就是自己親手制備成功的負載型CoP催化劑了。說到催化劑，據了解，目前常用的有兩類：一類是Pt、Ru、Pd等貴金屬催化劑;另一類是Ni-B、Co-B、CoP等非貴金屬催化劑。大量研究表明：前一類貴金屬雖催化劑活性較強，但價格昂貴且儲量有限無法循環使用，因而在一定程度上限制了其廣泛應用。而非貴金屬催化劑不僅成本低、催化活性強，且極具穩定性，還可反復循環使用，從此可見應用前景喜人。另外，在進一步研究中，我還了解到：以泡沫鎳為載體，采用化學氣相浴沉積方法來制備CoP催化劑主要是考慮到NaBH4水解反應過程中放出大量熱量，同時在催化劑的表面會有大量氫氣生成，采取負載的方式可使載體與CoP之間有更強的相互作用而使得后者結合緊密，分散良好，不易流失，因而從整體上更好地提升了此催化劑的穩定性。而所用的載體材料不僅可以是泡沫鎳，還可以是活性炭、金屬氧化物、蜂窩陶瓷等。二憂”：

“一憂”：硼氫化鈉制氫成本居高不下

在研究中，可以發現，雖然中國硼礦資源也比較豐富，總產量居世界第4位，能基本滿足國內需求，還有少量出口。但目前工業上生產NaBH4主要為硼酸三甲酯-氫化鈉法（亦稱Schlesinger法）和硼砂-金屬氫化還原法（亦稱Bayer法），而這于兩種工藝都需消耗大量金屬鈉，因而硼氫化鈉成本較高，（目前市場價約為$80/kg，很大程度上限制這一技術的廣泛應用。

“二憂”：貴重金屬催化劑依然占據主導地位

剛才為硼氫化鈉原材料昂貴在一定程度上阻礙其獲得商業成功擔憂的同時，又為目前國內制氫現狀擔憂。而今，硼氫化鈉制氫工藝所用催化劑依然多為Ru、PCo-Bt等貴金屬，方面增加了該工藝的成本，同時也在一定程度的上限制了它的發展。

“一思”：可否用其他原材料替代鈉以降低成本

結合剛才的兩點擔憂，可以考慮是否可采用其他原材料來替代“鈉”獲取硼氫化鈉，這樣就可彌補原材料昂貴而影響硼氫化鈉水解應用受限，從而使這一制氫技術更好地在各個領域發其實效。同時，也熱切期待未來會有更多性能更強、成本更低、實用性更強的催化劑研制成功并被廣泛應用入到制氫工業中。

總之，化學的學習要注重平時的探究能力的培養，只有這樣，才能不斷培養學生發現問題、解決問題的能力以及創新思維能力。

【參考文獻】

[1]楊蘭，羅威，程功臻.氨硼烷水解制氫的研究進展[J].大學化學，2014.29（6）：1-10

[2]Xu D Y，Wang H Z，Guo Q J，Ji S F.Catalytic beha

vior of carbon supported Ni-B，Co-B and Co-Ni-B in hydrogen generation by hydrolysis of KBH4[J].Fuel Processing

Technology， 2011.92（8）：1606-1610