高效实现氨硼烷水解制氢：Amberlyst - 15 的卓越催化性能研究

为解决氢存储难题，研究人员开展以固体酸 Amberlyst - 15（A - 15）介导氨硼烷（AB）水解制氢的研究。结果显示，30°C 时 AB 析氢速率达 194.15 ml?min?1 ，活化能低，且可重复使用。该研究为 AB 水解制氢提供经济技术方案。

　　氢能源作为一种清洁、高效的能源，在全球能源转型的浪潮中备受瞩目。然而，氢的存储问题却如同一只 “拦路虎”，严重阻碍了氢能源的广泛应用。在众多化学储氢方法里，氨硼烷（NH₃BH₃，AB）凭借其高稳定性、易运输以及高达 19.6% 的质量储氢密度（远超美国能源部设定的车载储氢系统 4.5% 的目标）等优势，成为储氢领域的 “潜力股”。AB 在室温下性质稳定且无毒，其释放氢气的途径主要有热解、醇解和水解。但 AB 固体热解会产生大量副产物，且反应温度高，并不适合用于析氢；醇解和水解则能在温和条件下实现析氢，其中水解反应以水为溶剂，成本比醇溶剂更低。只是 AB 水解反应速率较慢，通常需要借助催化剂来加速。

此前，研究人员开发了一系列催化剂，包括金属催化剂、金属化合物催化剂和光辅助水解催化剂等。其中，贵金属催化剂虽催化效果好，像 Ru/γ - Al₂O₃、Rh/γ - Al₂O₃和 Pt/γ - Al₂O₃催化 AB 脱氢的活化能分别为 23、21 和 21 kJ?mol^?1 ，反应也能在较短时间内完成，但高昂的价格限制了它们的进一步应用。非贵金属催化剂如过渡金属 Co、Ni、Cu 及其合金虽受到一定关注，可其反应速率和周转频率（TOF）仍无法与贵金属催化剂相媲美。后来，人们发现液体酸能参与 AB 水解产氢，可部分液体酸存在无法使 AB 等量完全释放氢气的问题。而固体酸，如 H 型分子筛、Dowex 和 Amberlyst 等，也能实现 AB 水解产氢，其中 Amberlyst - 15 的脱氢反应速率可与贵金属催化剂相抗衡，不过 Amberlyst - 15 作为固体酸与 AB 的直接反应还缺乏深入研究。

为了攻克这些难题，探寻一种高效且廉价的 AB 水解制氢体系，研究人员开展了相关研究。他们选用了由二乙烯基苯（DVB）和苯乙烯组成、以磺酸基为活性位点的强酸性离子交换树脂 Amberlyst - 15（A - 15），对其参与 AB 水解析氢的性能进行研究。该研究成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上，为氨硼烷水解制氢提供了新的思路和方向。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。通过改变搅拌速度测量反应产气量，以此探究搅拌速度对水解反应的影响，尽可能消除外部传质阻力对反应的干扰；利用同位素替代实验，确定了反应中的氢供体；借助 XRD（X 射线衍射）、ATR - FTIR（衰减全反射傅里叶变换红外光谱）和 in - situ MS（原位质谱）等技术，明确了主要水解产物、反应式，并证实了 A - 15 磺酸基中的 O 与 AB（aq）之间氢键的存在。

水解反应搅拌速度的影响研究

研究人员首先探究了搅拌速度对 AB 水解反应的影响。他们依次在 400、800、1000、1200 和 1400 r?min^?1 的搅拌速度下测量反应产气量。结果发现，随着搅拌速度的增加，反应速率从 400 r?min^?1 时的 149.53 ml?min^?1 提升至 1200 r?min^?1 时的 194.15 ml?min^?1 。这表明增强搅拌能够加快反应速率。

氨硼烷水解析氢性能研究

实验结果显示，在 30°C 条件下，A - 15 参与的 AB 水解析氢速率可达 194.15 ml?min^?1 ，且反应的表观活化能（E_a）低至 8.20 kJ?mol^?1 。这一数据表明 A - 15 在 AB 水解析氢反应中展现出了高效的催化性能，能够在温和条件下快速促进氢气的产生。

催化剂重复使用性能研究

研究人员对 A - 15 的重复使用性能进行了测试。经过 5 次循环使用后，反应的转化率仍能保持在约 93%，反应速率为 178.71 ml?min^?1 。这说明 A - 15 具有良好的重复使用性，在多次使用后依然能维持较高的催化活性，为其实际应用提供了有力支持。

水解反应动力学研究

通过动力学研究，研究人员发现 AB 水解反应对 A - 15 的质量而言为准零级反应，对 AB 浓度为准一级反应。这一结论有助于深入理解 AB 水解反应的机制，为进一步优化反应条件提供了理论依据。

水解产物及反应机制研究

利用 XRD、ATR - FTIR 和 in - situ MS 等技术，研究人员确定了硼酸为主要水解产物，水是反应中的氢供体。基于 ATR - FTIR 的表征结果，证实了 A - 15 磺酸基中的 O 与 AB（aq）之间存在氢键。研究人员推测，这种氢键促进了 AB 的扩散、H₂的释放以及 H₂O 中 O—H 键的断裂，并据此提出了可能的反应机制。

该研究表明，A - 15 在 AB 水解析氢反应中表现出色，不仅析氢速率快、活化能低，而且具有良好的重复使用性。这一研究成果为氨硼烷水解制氢提供了一种经济可行的技术方案，为解决氢存储问题提供了新的方向。同时，研究人员确定的反应动力学、水解产物以及提出的反应机制，也为深入研究酸参与的 AB 水解反应提供了重要的理论基础，有助于推动相关领域的进一步发展，在氢能源开发利用的征程中迈出了坚实的一步。