[发明专利]一种Co–Al@C复合催化剂及其合成方法与应用

说明书

一种Co–Al@C复合催化剂及其合成方法与应用，利用高分子表面活性剂P123、柠檬酸、钴离子、铝离子在溶液中组装，形成溶致液晶，P123同时作为碳源和软模板，待溶剂完全蒸发后，高温煅烧，有机双分子层转化成层状的碳材料，钴和铝化合物在碳化过程中同时生成，利用氢氧化钠溶液腐蚀，除去大量的铝，紧密排布的层状结构被剥离开，从而得到Co–Al@C复合碳纳米片材料。本发明制备的Co–Al@C复合催化剂应用于氨分解反应中时，活性高，稳定性好，催化剂中钴颗粒尺寸均一，密集地嵌入在铝和碳复合纳米片中，有效的阻止钴颗粒在氨分解反应中的聚集，提高了催化剂在催化氨分解时的催化性能。

技术领域

本发明涉及复合催化剂的制备与应用，具体涉及一种Co–Al@C复合催化剂及其合成方法与应用。

背景技术

随着人类社会和工业的不断发展，能源短缺和环境污染问题日趋严峻，新能源的开发利用是人类的必然选择。在众多的新型能源中，氢能作为一种二次能源，具有清洁、高效等优点。在氢能转化方面，氢燃料电池是实现氢能利用的一种重要方式。在氢来源方面，直接以氢作为燃料无论在运输方面还是储存方面都存在诸多问题，而氨分解在线制氢技术既可制氢又可储氢，一举两得。氨是一种富氢化合物，氨分子不含碳元素，不会产生CO_x等气体，从源头上避免了氢燃料电池的电极出现“中毒现象”。将氨分解反应用于在线制氢是目前解决燃料电池氢来源的有效途径之一，而将氨分解用于在线制氢的关键是制备一种廉价易得、高效稳定的催化剂。

过渡金属是氨分解反应中的重要催化剂，但受限于活性位点数目低、结构稳定性差等缺陷，其催化性能并不理想。近年来，研究者们通过对催化剂的组成、结构以及制备方法进行合理改进以改善过渡金属催化剂的性能。例如，通过将过渡金属纳米化以提高活性位点的数目；通过将纳米化的过渡金属颗粒负载于载体之上以加强催化剂的结构稳定性。

碳具有良好的热稳定性和导电性，在许多催化和储能材料的应用中，碳基材料通常用作载体来负载活性物种，以便于活性物种的分散和电子在载体与活性物种之间的转移。近些年来，研究者们对以碳为载体的氨分解催化剂进行了研究，结果表明，以碳材料复合的过渡金属催化剂(过渡金属@C)对催化氨分解制氢具有很好的应用前景。

目前制备过渡金属@C复合材料一般分为两步法，即先制备出碳基载体，再以化学沉积法，或者浸渍法，将过渡金属负载于碳基载体表面。为了控制活性组分颗粒在较小的尺寸范围内，往往需要降低负载量，导致活性组分含量有限。此外，过渡金属依靠范德华力随机负载在碳载体上，由于这种吸附不够强，在催化反应过程中容易出现团聚、脱落现象，影响催化剂的催化活性和稳定性。

发明内容

作为本发明的第一个方面，提供了一种Co–Al@C复合催化剂的合成方法，包括步骤：

S1：将P123溶于乙醇中，加入柠檬酸、九水硝酸铝、六水硝酸钴，搅拌至完全溶解，得混合溶液；

S2：将混合溶液转移至烘箱中蒸干溶剂，得前驱体；

S3：将前驱体在保护气氛中高温煅烧，得到黑色固体；

S4：将黑色固体溶于碱溶液中，搅拌，之后洗涤、干燥即得Co–Al@C复合催化剂。

优选的，步骤S1中P123为2.00g，所述无水乙醇为40mL，所述柠檬酸为1.68g，硝酸铝和硝酸钴的总摩尔量为40mmol，六水硝酸钴与九水硝酸铝的质量比为1-8：10。

优选的，步骤S1中，Co与Al的摩尔投料比为3：7。

优选的，步骤S3具体包括：将前驱体转移至管式炉中，通高纯氮气，以1℃ min^–1的升温速率从室温升至400℃，之后保持6小时，得黑色固体。