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综述:纳米催化氨硼烷水解制氢的研究现状、最新进展与展望
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年07月28日 来源:Coordination Chemistry Reviews 20.3
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这篇综述系统阐述了氨硼烷水解(ABH)作为安全高效储氢方案的最新研究进展,重点分析了纳米催化剂设计(如Pt-Co合金、ZIF-8载体)如何实现室温下超高转化频率(TOF>1000 molH2 molcat-1 min-1),对比了物理吸附与化学吸附储氢的优劣,并展望了ABH在便携式氢燃料电池中的应用前景。
【历史背景与早期机制研究】
氨硼烷(AB)因其19.6 wt%的储氢密度和室温水稳定性,成为替代化石燃料的理想载体。2006年Schlesinger发现钴盐可加速NaBH4水解后,研究者们逐步揭示ABH反应机制:水分子O-H键断裂(需461.5 kJ/mol)是决速步骤,而过渡金属纳米颗粒(NPs)通过协同作用降低活化能(Ea)。早期研究证实,Pt-Ni合金催化剂在γ-Al2O3载体上展现突破性TOF值。
【纳米合金催化剂的突破】
双金属合金设计成为研究热点,例如Pt0.2Co0.8/ZIF-8体系通过电子转移效应使Ea降至28 kJ/mol。Ru-Co组合因成本优势备受关注,而Ni-Fe合金则展示了非贵金属的潜力。密度泛函理论(DFT)计算表明,金属d带中心位置直接影响水解中间体的吸附强度。
【硼/磷元素掺杂的创新】
金属磷化物(如CoPx)和硼化物通过构建富电子活性位点,显著提升性能。Ni2P/N-doped碳材料在可见光下产生等离子体效应,使TOF达到创纪录的1450 min-1。这类材料中P原子作为质子受体,加速了水分子解离。
【载体材料的革命】
沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)因其高比表面积和限域效应,使嵌入的Pt NPs稳定性提升10倍。共价三嗪框架(CTF)通过氮配位锚定金属,而石墨烯量子点则提供电子快速传输通道。对比数据显示,MOFs载体体系的平均TOF比传统碳载体高3-5个数量级。
【光催化与未来展望】
Ag@Cu2O核壳结构利用表面等离子体共振,将太阳能转化效率提升至8.2%。尽管AB再生仍是商业化瓶颈,但最新设计的微反应器已实现H2按需释放,其响应速度(<5秒)远超MgH2热解方案(需300°C)。研究者建议将ABH系统与质子交换膜燃料电池(PEMFC)集成,开发军用单兵电源等特殊场景应用。
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