本發(fā)明涉及消氫領(lǐng)域，尤其是消氫材料及其制備領(lǐng)域，具體為一種富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的制備方法及其吸氫材料。

背景技術(shù)：

氫氣具有極強的滲透能力，能與氫化金屬材料發(fā)生氫化作用，生成具有脆性的氫化物，進而導(dǎo)致材料塑性損失和滯后開裂。同時，在密閉環(huán)境中，氫的積聚還存在燃燒和爆炸的危險。在核電廠中，若發(fā)生冷卻劑損失的故障，則大量的氫氣會釋放，并進入核電廠中的安全殼內(nèi)；如果不采取相應(yīng)的措施，安全殼氣氛內(nèi)的氫氣含量會逐漸增加，進而達到氫氣爆炸極限，若遇明火，則會發(fā)生爆炸，造成不可挽回的損失。另外，核廢料在貯存和轉(zhuǎn)運過程中，所處密閉體系中的氫含量可能隨時間不斷增加，美國核管理委員會對此規(guī)定，核廢料貯存容器中氫氣的濃度不能高于5 vol%。此外，若氫同位素中的放射性核素氚泄露，進入環(huán)境中，還會對人體健康造成嚴重的危害?；谏鲜鰩追N情況，需要對體系中的氫含量進行有效控制，避免氫氣的富集。

而環(huán)境中氫的來源則較為廣泛，主要包括：從儲氫容器或管道中泄露出來的氫；含氫材料老化降解釋放出的氫，例如核材料貯藏容器中塑料部件或橡膠墊圈的輻射降解等；材料加工過程帶入的氫，例如金屬材料在冶煉、熱加工、熱處理、酸洗、電鍍等過程中引入的氫。由于氫的來源較為廣泛，很難避免環(huán)境中氫的存在，但可以盡量降低其含量。因此，消氫、控氫對于保持密閉環(huán)境中材料結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，保障涉氫同位素（特別是涉氚）生產(chǎn)的安全，具有重要意義。

為此，人們研究了各種裝置，以降低密閉環(huán)境中的氫氣含量。利用有機吸氫劑炔屬類碳-碳三鍵的貴金屬催化加氫作用（多相催化），是去除或減少密閉環(huán)境中氫的有效方法。早期的有機吸氫劑主要包括：1，4-二苯基丁二炔（1，4-diphenyl butadiyne，簡稱DPB）和二聚苯基炔丙基醚（dimerized phenyl propargyl ether，簡稱DPPE），但它們的熔點較低（分別是87℃和80℃），應(yīng)用范圍受到限制。

20世紀90年代，有人曾測試了許多潛在的吸氫化合物，發(fā)現(xiàn)1，4-雙（苯基乙炔基）苯（1，4-bis(phenyl-thynyl）benzene，簡稱DEB）的吸氫性能最好。但是DEB和DPB 等消氫材料往往以固態(tài)形式使用，它們催化加氫屬于氣-固加氫體系。該體系中，含炔基的固態(tài)反應(yīng)物、氫同位素氣態(tài)反應(yīng)物和固態(tài)催化劑鈀三相之間的傳質(zhì)過程，就變得更為復(fù)雜和困難。雖然在實驗室研究中，可以采用機械球磨方法，并通過調(diào)節(jié)攪拌方式、攪拌速度、進氣速率和壓力等提高固態(tài)粉末共混程度，從而使該類催化加氫體系獲得較高的吸氫效率。但在實際應(yīng)用中，這些消氫材料經(jīng)粉末混合后就直接或者將其與其它材料二次復(fù)合后使用，含炔基反應(yīng)物（DEB和DPB 等）和炭黑負載的催化劑 Pd 都處于靜止狀態(tài)，很難實現(xiàn)固態(tài)反應(yīng)物與催化劑 Pd 的充分接觸，使其消氫性能降低。

為此，迫切需要一種新的材料，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對現(xiàn)有的DEB和DPB等消氫材料往往以固態(tài)形式使用，屬于氣-固加氫體系，其在實際應(yīng)用中，這些消氫材料經(jīng)粉末混合后就直接或者將其與其它材料二次復(fù)合后使用，含炔基反應(yīng)物（DEB和DPB 等）和炭黑負載的催化劑 Pd 都處于靜止狀態(tài)，很難實現(xiàn)固態(tài)反應(yīng)物與催化劑Pd的充分接觸，使得其消氫性能降低的問題，提供一種富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的制備方法及其吸氫材料。本發(fā)明中，首先合成富炔高分子，并將其與納米鈀復(fù)合，使富炔高分子既作為加氫反應(yīng)物，又作為納米鈀催化劑的穩(wěn)定劑和載體，通過對反應(yīng)條件的控制，實現(xiàn)了催化加氫體系中固態(tài)有機反應(yīng)物與固態(tài)催化劑載體的二合一，有效減小固體反應(yīng)物與催化劑間的空間位阻，增加相互接觸幾率，能獲得更高的催化加氫效率。本發(fā)明制備的吸氫材料屬于不可逆吸氫材料，能將常溫、常壓下密閉環(huán)境中的氫氣含量降低到較低水平，為消氫領(lǐng)域提供一種控氫的新材料和新方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）在富官能團的高分子主鏈上進行炔基修飾，制備出富炔高分子，其中，富炔高分子的炔基接枝率為40~100 %；

（2）將步驟1制備的富炔高分子溶解于第一溶劑中，并向第一溶劑中加入二價鈀鹽、還原劑，在50~120℃下反應(yīng)8~30 min，利用還原劑將二價鈀鹽還原為納米鈀，得到富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料懸浮液，其中，納米鈀的質(zhì)量為富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的0.5~10%；

（3）對步驟（2）制備的富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料懸浮液進行后處理，即可；

所述步驟（3）中，后處理的步驟如下：

將步驟（2）制備的富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料懸浮液蒸干，即得產(chǎn)品；

或向步驟（2）制備的富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料懸浮液中加入負載體，再將含負載體的懸浮液蒸干，即得產(chǎn)品。

所述步驟1中，富官能團的高分子為聚乙烯醇或聚丙烯酸，采用炔丙胺作為炔基修飾劑。

所述步驟1中，富炔高分子為富炔基聚乙烯醇或富炔基聚丙烯酸；

所述富炔基聚乙烯醇的制備步驟如下：將聚乙烯醇的羥基官能團用活化試劑羰基二咪唑（CDI）活化后，再與炔丙胺反應(yīng)，得到富炔基聚乙烯醇；

所述富炔基聚丙烯酸的制備步驟如下：將聚丙烯酸的羧基官能團與炔丙胺在縮合試劑存在下，發(fā)生酰胺化反應(yīng)，得到富炔基聚丙烯酸，其中，縮合劑由1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽/4-二甲氨基吡啶（EDCI/DMAP）混合而成，或縮vGV合劑由二環(huán)己基碳二亞胺/ 4-二甲氨基吡啶（DCC/DMAP）混合而成，或縮合劑為二氯亞砜，或縮合劑為草酰氯。

所述第一溶劑為水、N,N’-二甲基甲酰胺、二甲亞砜、乙醇、甲醇中的一種或多種。

所述還原劑為硼氫化鈉、水合肼、檸檬酸鈉、抗壞血酸鈉中的一種或多種。

所述步驟（3）中，負載體為硅藻土、濾紙、貝殼粉、二氧化硅、聚乙烯、天然乳膠、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種。

所述二價鈀鹽為四氯鈀酸鈉或醋酸鈀中的一種或多種。

一種富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料，包括如下質(zhì)量百分比的組分：

納米鈀 0.5~10%；

富炔高分子 90~99.5%。

該吸氫材料的粒徑為1-200 nm。

針對前述問題，本發(fā)明提供一種富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的制備方法及其吸氫材料，其涉及對水溶性高分子的改性，屬于吸氫材料領(lǐng)域。

該制備方法中，首先通過炔丙胺對聚乙烯醇側(cè)鏈的羥基和聚丙烯酸側(cè)鏈的羧基進行修飾，保證炔基接枝率在40 ~100 %之間，得到富炔高分子。

然后，將制備的富炔高分子溶解于第一溶劑中，以富炔高分子作為穩(wěn)定劑和載體，并向第一溶劑中加入二價鈀鹽、還原劑，將反應(yīng)液在50~120℃下反應(yīng)8~30 min，用還原劑將二價鈀鹽原位還原成納米鈀，制備出含富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的懸浮液，保證納米鈀的質(zhì)量百分比在0.5~10% 之間。二價鈀鹽為四氯鈀酸鈉或醋酸鈀；還原劑為硼氫化鈉、水合肼、檸檬酸鈉、抗壞血酸鈉中的一種或幾種，第一溶劑為水、N，N’-二甲基甲酰胺、二甲亞砜、乙醇、甲醇中的一種或多種。

最后，將所得的富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料懸浮液蒸發(fā)干或者加入另一種載體進行二次負載。另一種載體可以為硅藻土、濾紙、貝殼粉、二氧化硅、聚乙烯、天然乳膠、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種。

其中，步驟1中的富官能團的高分子為聚乙烯醇或聚丙烯酸，采用炔丙胺作為炔基修飾劑。由于聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯醇（PVA）是水溶性的高分子，具有許多優(yōu)異的性能，如成膜性、螯合性、絮凝性、增稠性等，它們的分子量高到數(shù)千萬，低到幾百；其親水基團的強弱和數(shù)量可以按要求加以調(diào)節(jié)，分子鏈上的活性官能團還可以進行再反應(yīng)，生成具有特定功能的化合物。如聚乙烯醇鏈的每一個結(jié)構(gòu)單元均含有一個羥基，可以通過酯化反應(yīng)、醚化反應(yīng)或酰胺化反應(yīng)盡可能多地將炔基引入PVA 鏈，生成富含炔基的高分子。

其中，富炔基聚乙烯醇的修飾方式為，先將聚乙烯醇的羥基官能團用活化試劑活化后，再與炔丙胺反應(yīng)；作為優(yōu)選，活化試劑為羰基二咪唑（CDI）。

富炔基聚丙烯酸的修飾方式為，聚丙烯酸的羧基官能團直接與炔丙胺在縮合試劑的作用下，發(fā)生酰胺化反應(yīng)，得到富炔基聚丙烯酸?？s合試劑為二環(huán)己基碳二亞胺/ 4-二甲氨基吡啶（DCC/DMAP）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽/4-二甲氨基吡啶（EDCI/DMAP）、二氯亞砜、草酰氯。作為優(yōu)選，縮合劑為EDCI/DMAP。

本發(fā)明中，首先提出將富炔高分子與納米鈀催化劑進行有機復(fù)合的思路，實現(xiàn)了催化劑載體與含炔基反應(yīng)物的一體化，可有效解決反應(yīng)物與催化劑難以充分接觸、鈀易團聚、與高分子材料二次復(fù)合困難等問題，能有效提高固體有機吸氫材料的吸氫效率。具體而言，本發(fā)明涉及兩種富炔有機高分子和納米鈀催化劑制成的復(fù)合材料，其中的富炔有機高分子是通過在聚乙烯醇（PVA）或聚丙烯酸（PAA）主鏈上進行酰胺化修飾獲得；納米鈀催化劑是通過在含有所述富炔有機高分子溶液中將鈀前驅(qū)體通過化學(xué)還原的方法原位合成的。本發(fā)明實現(xiàn)了含炔基的高分子與催化劑的一體化，能有效解決機械混合的吸氫劑在使用過程中出現(xiàn)固態(tài)有機物與活性碳等負載的鈀催化劑難以充分接觸、鈀易團聚以及與高分子二次復(fù)合困難等問題。

本發(fā)明制備的富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料能在室溫、常壓下進行吸氫、控氫，為吸氫領(lǐng)域提供新思路和新方法，具有顯著的進步意義。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明中先合成富炔高分子，并將其與納米鈀復(fù)合，富炔高分子既作為加氫反應(yīng)物，又作為納米鈀催化劑的穩(wěn)定劑和載體，實現(xiàn)了催化加氫體系中固態(tài)有機反應(yīng)物與固態(tài)催化劑載體的二合一；

（2）本發(fā)明通過富炔高分子與固態(tài)催化劑載體的一體化，有效減小固體反應(yīng)物與催化劑間的空間位阻，增加相互接觸幾率，能獲得更高的催化加氫效率；

（3）由于本發(fā)明在溶液中制備富炔高分子納米鈀復(fù)合材料，有利于將該消氫材料進一步與其它材料（特別是有機材料）二次復(fù)合，從而獲得應(yīng)用范圍更廣的消氫和控氫材料，具有應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點；

（4）本發(fā)明得到的富炔高分子負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料屬于不可逆吸氫材料，能將常溫、常壓下密閉環(huán)境中的氫氣含量降低到較低水平，為消氫領(lǐng)域提供一種控氫的新材料和新方法；

（5）本發(fā)明實現(xiàn)了含炔基的高分子與催化劑的一體化，能有效解決機械混合的吸氫劑在使用過程中出現(xiàn)固態(tài)有機物與活性碳等負載的鈀催化劑難以充分接觸、鈀易團聚以及與高分子二次復(fù)合困難等問題。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1為炔基功能化聚乙烯醇的合成路線圖。

圖2為炔基功能化聚丙烯酸的合成路線圖。

圖3為富炔基聚乙烯醇負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的合成路線圖。

圖4為富炔基聚丙烯酸負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的合成路線圖。

圖5為吸氫實驗裝置系統(tǒng)。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。下面通過實施例進一步地描述本發(fā)明，以促進對本發(fā)明更深入地理解。但是本發(fā)明并不局限于此。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員在本發(fā)明精神的指引下，可以對本發(fā)明進行修改或改進，均屬顯而易見。

實施例1 炔基功能化聚乙烯醇的制備

在氮氣保護下，將20 mL DMF 和1.0648 g PVA（20 mmol）加入三口燒瓶中，在85℃ 油浴中攪拌至PVA完全溶解，冷卻至室溫后，在N₂保護下，加入3.243 g CDI (20 mmol)，室溫反應(yīng)3 h；然后，向三口燒瓶中加入1.54 mL炔丙胺（24 mmol），室溫反應(yīng)20 h；再將三口燒瓶中的反應(yīng)液緩慢傾倒入盛有100 mL 乙醇溶液的燒杯中，攪拌至產(chǎn)物全部析出，反復(fù)用乙醇溶液洗滌、過濾，濾渣真空干燥24 h至恒重，即得到白色絮狀的固體。

結(jié)構(gòu)確證結(jié)果如下：¹H NMR (400 MHz， DMSO) δ 4.73 (m， 1H)， 4.4-4.37 (m， 1H)， 3.75(s， 2H)， 3.03 (s， 1H)，1.97-1.93（m , 3H），1.74（s,2H）；FTIR(KBr，cm^-1) : 3338( m)， 2121(w)， 1720(s)， 1525(m)， 1249(m)， 772(m)， 683(m) cm^-1。

實施例2 炔基功能化聚丙烯酸的制備

將1.44 g PAA(20 mmol) 加入到盛有20 mL DMF的三口燒瓶中，攪拌2 h，加熱至PAA完全溶解，冷卻至室溫；然后，再向三口燒瓶中加入4.6 g EDCI 和1.46 g DMAP，攪拌一段時間后，加入1.54 mL炔丙胺（24 mmol），攪拌20 h后，停止反應(yīng)，得到反應(yīng)液；將制備的反應(yīng)液濃縮至大約8 mL左右，倒入盛有 100 mL二氯甲烷溶液中，攪拌至產(chǎn)物全部析出，反復(fù)用丙酮和二氯甲烷溶液洗滌、過濾，濾渣真空干燥24 h至恒重，即得到黃色的固體。

結(jié)構(gòu)確證結(jié)果如下：¹H NMR (300 MHz， DMSO) δ3.31(s， 2H)， 2.99(s，1H) ，2.56(s， 1H)，1.74-1.77(m，2H) ； ¹³C NMR (300 MHz， DMSO) δ169.82，79.93，75.04，42.83，31.15，26.01；FTIR(KBr，cm^-1) : 3258( m)， 2116(w)， 1657(s)， 1550(m)， 1343(m)， 812(m)， 654(m) cm^-1。

實施例3 富炔基聚乙烯醇負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的制備

稱取0.5 g炔基功能化聚乙烯醇產(chǎn)物，溶于50 mL DMF溶液中，充分溶解后，加入0.0651 g (0.2212 mmoL) 的四氯鈀酸鈉水溶液（5 mL），攪拌3 min；然后在高速攪拌的同時，緩慢滴入新制硼氫化鈉（0.4425 mmol）水溶液（0.5 mL）并強烈攪拌5 min，得到棕褐色的富炔PVA-PdNPs懸浮液 。

實施例4 富炔基聚丙烯酸負載納米鈀催化劑復(fù)合吸氫材料的制備

稱取0.5 g炔基功能化聚丙烯酸產(chǎn)物，溶于50 mL 水溶液中，再加入0.0675 g (0.2294 mmoL) 的四氯鈀酸鈉水溶液（5 mL），攪拌3 min；然后在高速攪拌的同時，緩慢滴入新制硼氫化鈉（0.4458 mmol）水溶液（0.5 mL），并強烈攪拌5 min，得到黑色的富炔PAA-PdNPs懸浮液。

實施例5 硅藻土二次負載富炔PVA-PdNPs

將所得棕褐色富炔PVA-PdNPs懸浮液逐漸滴加到裝有2 g硅藻土的100 mL圓底燒瓶里；然后，將含有硅藻土的富炔PVA-PdNPs復(fù)合吸氫材料懸浮液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干，溫度設(shè)置為80 ℃。得到黃色粉末固體。

實施例6 濾紙二次負載富炔PVA-PdNPs

將所得棕褐色富炔PVA-PdNPs懸浮液逐漸滴加到直徑為15cm的濾紙上；然后，將濾紙上的富炔PVA-PdNPs在通風(fēng)櫥風(fēng)干六天，得到黃色吸氫材料。

實施例7 硅藻土二次負載富炔PAA-PdNPs

將所得黑色富炔PAA-PdNPs懸浮液逐漸滴加到裝有2 g硅藻土的100 mL圓底燒瓶里；然后，將含有硅藻土的富炔PAA-PdNPs復(fù)合吸氫材料懸浮液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干，溫度設(shè)置為60 ℃。得到灰白色粉末固體。

實施例8 濾紙二次負載富炔PAA-PdNPs

將所得黑色富炔PAA-PdNPs懸浮液逐漸滴加到直徑為15cm的濾紙上；然后，將濾紙上的富炔PAA-PdNPs在通風(fēng)櫥風(fēng)干六天，得到灰白色吸氫材料。

實施例9 硅藻土二次負載富炔PVA-PdNPs吸氫材料吸氫

如圖5所示，首先利用吸氫實驗裝置的標準罐對反應(yīng)容器、管路系統(tǒng)進行體積標定，并計算出在標準容器、標準容器和壓力傳感器之間的管路中需預(yù)先注入的氣體壓力。在恒溫同體積條件下，將實施例5制備的含有硅藻土負載富炔PVA-PdNPs納米鈀復(fù)合材料置于85.47 mL密封反應(yīng)容器中，通入氫氣初始壓力為520 kPa，監(jiān)測24h后，氫氣壓力為508 kPa。然后采用PVT法計算吸收氫氣的物質(zhì)的量，折算為標況下氫氣量為6.27 mL 。

實施例10 硅藻土二次負載富炔PAA-PdNPs吸氫材料吸氫

如圖5所示，首先利用吸氫實驗裝置的標準罐對反應(yīng)容器、管路系統(tǒng)進行體積標定，然后計算出在標準容器、標準容器和壓力傳感器之間的管路中需預(yù)先注入的氣體壓力。在恒溫同體積條件下，將實施例7制備的含有硅藻土負載富炔PAA-PdNPs納米鈀復(fù)合材料置于85.47 mL密封反應(yīng)容器中，通入氫氣初始壓力為561 kPa，監(jiān)測24h后，氫氣壓力為547 kPa。然后采用PVT法計算吸收氫氣的物質(zhì)的量，折算為標況下氫氣量為7.34 mL 。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。