基于琼脂糖生物膜负载钌纳米颗粒催化哌嗪双硼烷水解制氢的新型氢载体材料研究

本研究针对化石燃料不可再生及环境污染问题，开发了新型固体氢载体材料哌嗪双硼烷(PBB)及其催化体系AGH@Ru。通过纳米钌(Ru0)均匀分散于琼脂糖水凝胶的创新设计，实现了PBB水解制氢100%效率，产氢量达6 mol H2/mol PBB，活化能Ea低至74.95 kJ mol?1，TOF值达194.4 h?1，为清洁能源存储提供了高效解决方案。

　　

在全球能源危机与环境污染的双重压力下，氢能因其142 MJ kg^?1的高能量密度和零碳排放特性，被视为替代化石燃料的理想选择。然而，氢气的储存与运输始终是制约其大规模应用的瓶颈。传统化学氢载体如氨硼烷(AB)虽具19.6 wt%储氢优势，却存在产生有毒副产物硼嗪的问题。哌嗪双硼烷(PBB)作为新型硼氮(B–N)化合物，凭借14.1 wt%的储氢量、空气稳定性和非毒性特征进入研究者视野，但其催化水解制氢潜力尚未被探索。

为解决这一科学问题，国内研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新性研究，首次开发了琼脂糖水凝胶负载钌纳米颗粒(AGH@Ru)催化体系，系统研究了PBB水解制氢性能。通过FTIR、NMR等技术表征PBB结构，采用透射电镜确认Ru⁰纳米颗粒在AGH中的均匀分散，最终实现6 mol H₂/mol PBB的定量产氢，TOF值达3.24 min^?1，并阐明反应动力学参数(E_a=74.95 kJ mol^?1，ΔS^#=-77.74 J mol^?1 K^?1)。

关键实验技术

1. 溶剂热法合成PBB晶体
2. 冷冻干燥制备AGH@Ru纳米复合催化剂
3. 气相色谱定量分析产氢量
4. 阿伦尼乌斯方程计算活化参数

结果与讨论
材料表征
PBB的FTIR显示3186 cm^?1处N-H伸缩振动峰，¹¹B NMR在-23.1 ppm出现特征峰，证实B-N键形成。AGH@Ru中2-5 nm Ru⁰颗粒通过TEM观测呈现均匀分布。

催化性能
在25°C中性条件下，AGH@Ru催化PBB水解的H₂释放曲线符合一级动力学，30分钟内完成反应。催化剂循环5次后活性保持98%，优于传统均相催化剂。

机理分析
负熵值(ΔS^#)表明反应过渡态高度有序，AGH三维网络结构通过限域效应稳定Ru活性中心，协同促进B-H键断裂与水分子亲核进攻。

结论与意义
该研究开创性地证实PBB作为氢载体的可行性，其储氢量超越吗啉硼烷(MB)12 wt%的基准。AGH@Ru催化剂通过生物相容性载体与金属纳米颗粒的协同作用，解决了传统催化剂易团聚、难回收的痛点。研究成果为开发非毒性、高容量氢存储系统提供了新思路，对推动燃料电池汽车等清洁能源应用具有重要实践价值。Hava Ozay等作者强调，该体系无需添加剂即可实现高效产氢，未来可通过调控凝胶孔径进一步优化传质效率。