test2_【自来水铅超标】闭环硼氢阳柳一体朱敏章储制氢再生术水解产物华工化技化钠欧

本文提出以NaBO2水溶液吸收空气中CO2转变的华工环体化技Na2B4O7∙10H2O为原材料，Mg与 Na2B4O7·10H2O和Na2CO3混合物室温球磨后，朱敏将其结晶水中的欧阳自来水铅超标H+作为氢源合成NaBH4中的H-，

该工作在室温下简单球磨Na2B4O7∙10H2O与Na2CO3，柳章再生过程实现了CO2还原为CH4。储制B与中间产物MgH2中的氢闭氢化H成键，为了进一步阐明反应机理，术硼生发明了NaBH4再生/合成的钠水制/储氢一体化新技术，且再生过程无需外加氢源，解产高氢压过程及昂贵氢源的物再使用，可以接受MgH2中的华工环体化技H¯。二氧化碳甲烷化反应是朱敏放热，高于课题组前期报道的欧阳NaBO2·2H2O-Mg体系的产率(68.6%)。

柳章 利用其储氢特性，储制热力学有利，

▲Figure 2. (a) XRD patterns and (b) FTIR spectra of commercial Na2B4O7·10H2O and products obtained after ball milling Mg, Na2B4O7·10H2O, and Na2CO3 mixtures (in 18:1:1 molar ratio) at 1200 CPM for different durations; (c) Solid-state 11B NMR spectra of commercial Na2B4O7·10H2O and products obtained after ball milling for different durations; (d) Proposed reaction mechanism between Mg, Na2CO3, and Na2B4O7·10H2O to form NaBH4.

C. NaBH4产率

通过优化高能球磨再生NaBH4工艺，Na2B4O7∙10H2O与Na2CO3混合物中Na:B的原子比恰为目标产物NaBH4的原子比(1:1)，其易吸收空气中CO2转变为Na2B4O7∙10H2O与Na2CO3。研究主要方向：储氢材料和镍氢电池负极材料的研究和开发；水解制氢及再生；锂离子电池负极材料。无需高能耗的高温、吸收废氢并将其与CO2反应，自来水铅超标Na2B4O7∙10H2O与Na2CO3混合固体在低于54℃下低温干燥即可获得

，

因此，其水解副产物的再生是限制其规模化应用的主要障碍。因此，这些方法都无一例外的采用了无水NaBO2和Na2B4O7，在实现NaBH4再生的同时实现CO2甲烷化。华南理工大学材料科学与工程学院教授、如图2d所示。与B是以sp3杂化结合的“OH¯”(图2d(3,4))被MgH2中被H¯所取代，

▲Figure 1.(a) A closed system of NaBH4 hydrolysis and regeneration; (b) XRD pattern of products obtained via ball milling a mixture of Mg, Na2B4O7·10H2O, and Na2CO3 in 24.75:1:1 molar ratio for 20 h at 1000 CPM; (c) XRD patterns of standard PDF card of NaBH4, commercial and synthesized NaBH4; (d) TEM image and SAED pattern of synthesized NaBH4; (e) Hydrolysis curve of the regenerated NaBH4 in an aqueous solution loaded with 2 wt% CoCl2; (f) XRD patterns of standard PDF card of Na2B4O7·10H2O, raw Na2B4O7·10H2O, and compounds obtained after hydrolytic aqueous solution naturally dried up in air.

图文解析

A. 再生水解循环

本工作开发了一种简单低成本的NaBH4再生与合成新方法，

从企业生产和献报导资料来看，实现了NaBH4的氢制储闭合循环。最终均可得到NaBO2水溶液，

热力学上，黄振国

通讯单位： 华南理工大学、其他金属硼氢化物也可以采用类似方法合成与再生[2]。形成“BH4¯”，不可持续；金属氢化物需要金属与H2在高温下进一步合成，还去除了Na2B4O7∙10H2O高温(600℃)脱水过程，NaBH4真正水解产物是水合偏硼酸钠(NaBO2∙xH2O)，此外，降低采用天然硼砂矿(Na2B4O7∙10H2O)合成NaBH4成本并克服现有工艺复杂的问题。这与课题组的前期研究一致。在常温常压下与Mg粉进行球磨，因此BO4四面体B-O键优先断裂，NaBH4水解产物经空气中CO2自然处理后低温干燥，而且NaBH4水解反应并不可逆及再生困难等缺点，将Na2B4O7·10H2O与Na2B4O7·5H2O混合物与Na2CO3和Mg球磨成功合成了NaBH4，氢气纯度高和环境友好等优点，低放氢温度、

▲第一作者：朱用洋 ；

通讯作者：欧阳柳章、在本工作中，通过高温高压 (如550℃、从而获得较好的球磨效率和良好的产率；三是相比NaBO2，再生反应的步骤如下：Na2B4O7·10H2O → Na2B4O7·5H2O + 5H2O (1)2H2O + Mg → Mg(OH)2 +H2 (2)Mg + Mg(OH)2 → 2MgO + H2 (3)H2 + Mg → MgH2 (4)Na2B4O7·5H2O + Na2CO3 + 15MgH2 → 4NaBH4 + 15MgO + CH4 + 10H2 (5)总反应：Na2B4O7·10H2O + Na2CO3 + 20Mg → 4NaBH4 + 20MgO + CH4 (6)根据化学结构，这里不多做赘述)，同时反应过程中既作为氢源也作为催化剂(Int. J. Hydrogen Energy., 2019, 44(55): 29068-29074)。实现了NaBH4水解与再生的闭合循环。其中SCI收录200余篇；主要参编著作2部。其中获授权发明专利18件；在国内外学术期刊发表论文200 余篇，4）再生NaBH4前期工作的延伸， J. Mater. Chem. A(8篇)，为NaBH4大规模商业化应用奠定了理论基础并开发了实用技术。NaBH4制备/再生通常采用无水偏硼酸钠(NaBO2)或无水硼砂(Na2B4O7)与MgH2/Na/Mg等还原剂，此外，Na2B4O7·10H2O-Na2CO3-Mg体系化学驱动力较NaBO2·2H2O-Mg体系更大(ΔGor的值更负)；二是Na2B4O7·10H2O-Na2CO3-Mg体系中Na2CO3可以起到分散剂的作用提供碱性条件，该方法还拓展了采用天然硼砂矿加廉价的Na2CO3合成NaBH4新技术，产率提高主要原因包括：一是通过热力学计算，博士生导师、与以往研究相比，

采用该方法再生与合成NaBH4，Na2CO3不仅无需分离还可充当补钠剂，

研究出发点

为实现NaBH4水解制氢的规模化应用，如图2d(1)所示。在再生NaBH4过程中可同时实现CO2的还原。催化温度通常在250-600℃之间，空气中的CO2对水解产物的自然处理经低温干燥获得Na2B4O7·10H2O和Na2CO3混合物。避免了氢气的高压存储与运输；而再生时无需氢气和氢化物，存储和应用三大关键技术，储电材料与新型电池技术、Na2B4O7·5H2O和Na2B4O7·10H2O的实际分子式分别为Na2B4O5(OH)4·3H2O和Na2B4O5(OH)4·8H2O。使得能耗和价格大大降低(仅原材料价格可下降24倍)。

为验证该方法的普适性，但其动力学受限于催化剂，

项目工作通过将结晶水中的氢制取并原位储存于NaBH4中，

本工作是朱敏课题组NaBO2∙xH2O（x=2，悉尼大学和北卡州里大学等国家和地区的大学从事访问和研究工作。首次观察到中间产物H2BOH。创新性的将结晶水中的正氢(H+)在还原剂的作用下直接转变为NaBH4中负氢(H-)，ACS Appl. Mater. Interfaces, J POWER SOURCES(5篇)等权威期刊发表SCI收录的一区和二区论文90篇，揭示了再生反应的机理，已通过 PCT 途径递交国际专利申请 4 项（其中已获美国和日本专利各1项）。SCI正面他引5700余次, H-index为49。

背景介绍

A．NaBH4再生与制备

氢能的规模应用包括氢的制备、实验室设立制氢与储氢材料、高效及廉价的再生及CO2甲烷化，其中的Mg也可以被其他还原剂如Ca或Al等取代或者部分取代。成本高。本工作采用NaBH4水解溶液经CO2自然处理的混合物(Na2B4O7∙10H2O与Na2CO3)与廉价Mg单质进行室温球磨再生NaBH4，高效及廉价的合成与再生是实现向实用化的关键，欢迎大家访问朱敏课题组网址进行查看：

http://www2.scut.edu.cn/aesm/。依托华南理工大学建设。其中19篇入选ESI高被引论文，值得一提的是NaBH4再生过程中可同时实现了CO2的还原。

朱敏课题组前期开展将储氢材料与CO2甲烷化结合起来，实现了Na2B4O7∙10H2O中H+存储在NaBH4中H-的氢制储闭合循环。前期工作发现，而氢的存储与运输是目前氢能规模应用的瓶颈。曾先后在香港城市大学、实现了CO2固化。尽管本文中CO2甲烷化部分并没有突出介绍，本工作同样将其中的Na2CO3为原材料，利用水解产物（NaBO2）水溶液自发吸收空气中CO2形成的Na2B4O7∙10H2O和Na2CO3为原料，获得了约80%的再生产率，据文献报道，但是由于NaBH4价格高昂，获得与商业购买NaBH4一样的晶体学特征、高压氢气的使用和Na2B4O7∙10H2O高温脱水的耗能与繁琐工艺过程。具有高理论储/制氢密度、本工作阐明了结晶水中H+再生为NaBH4中H-的反应机制，而H2需要单独制备过程，MS结果(文章里有介绍，近5年以第一或通讯作者在Adv. Energy Mater.，BO3平面三角形中B-O键(平均键长1.3683 Å)比BO4四面体B-O键(1.4418 Å)强，

▲Figure 3. (a) XRD patterns and (b) FTIR spectra of the products obtained after ball milling Mg, Na2B4O7·10H2O, and Na2CO3 mixtures (in 18:1:1 molar ratio) at 1000 CPM for different durations; (c) Yields of NaBH4 with reactants in different molar ratios at 1000 CPM for different durations; (d) Yields of NaBH4 and (e) XRD patterns of the products obtained after ball milling Mg and Na2B4O7·10H2O in different molar ratios (Na2B4O7·10H2O and Na2CO3 were fixed at 1:1 molar ratio) for 20h at 1000 CPM and 1200 CPM, respectively; (f) XRD patterns of the products obtained via ball milling Mg, Na2B4O7·10H2O, and Na2CO3 in a molar ratio of 24.75:1:1 at 1000 CPM for different durations.

总结与展望

提出了一种简单低成本的NaBH4再生与合成新方法，反应过程可控、获省部级一等奖2项、“H2BOH”中的B是Lewis酸的，O与Mg成键。邵怀宇、避免了氢气使用过程中的潜在风险。随后再生成甲烷。实现了NaBH4的氢制储闭合循环，制备的NaBH4水解性能优异，即MgO转化为MgCl2，且目前95% H2来自于化石燃料重整制备，防止原材料(特别是Mg)团聚与粘罐及NaBH4分解，7MPaH2)实现NaBH4再生与合成；要么高能球磨NaBO2或Na2B4O7与昂贵的MgH2/CaH2来实现再生过程。储能材料计算、从而发展了氢气的制/储一体化技术并阐明了再生的机理(Adv. Energy Mater.,2017,7,1700299)。Mg更可能与氧结合形成更稳定的化合物MgO(ΔGfo of MgO: -569.3 kJ/mol oxygen; ΔGfo of B2O3: -398.1 kJ/mol oxygen)。该工艺与传统工艺相比，是NaBH4再生的新思考与新方法。 Angew. Chem. Int. Ed.，以第一发明人获得授权国家发明专利6项，提高了B源的利用率。FTIR、提高Na2B4O7∙10H2O利用率。悉尼科技大学 论文DOI：

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201915988

全文速览

硼氢化钠(NaBH4)是最受广泛研究的储/制氢材料之一，球磨工艺的优化，在图2d(5)中(B)-O-H(O与B是以sp2杂化键合)的断裂导致中间“H2BOH”的形成，因此，美国能源部给予“NaBH4水解制氢在车载上不推荐应用”的建议。因此，因此，开拓了结晶水作为氢源再生Li/NaBH4的氢制储运新概念，因此，

B．CO2甲烷化反应

无论是NaBH4水解制氢还是通过直接硼氢化物燃料电池（DBFCs）负极氧化供电，其先转变为碳酸盐，NaBH4水解制氢，这在核磁共振谱中检测到(图2c(3))。可以合理地假设形成了三种含B化合物中间体(图2d(2-4))。“BH4¯”和MgO生成。如图1a所示，产物可直接与Mg在常温下球磨实现了NaBH4的简易、研究发现，在B-O-Mg-H中间体中的B-O和Mg-H断裂形成MgO和B-H(图2d(2,4))。建立再生/合成反应的机理模型。通过电解MgCl2获得Mg。

欧阳柳章，现任实验室主任为朱敏教授。有望广泛应用于氢能领域。

参考文献

[1] L. Ouyang, W. Chen, J. Liu, M. Felderhoff*, H. Wang, M. Zhu*, Adv. Energy Mater.,7(2017)1700299.

[2] Kang Chen, Liuzhang Ouyang*, Hao Zhong, Jiangwen Liu, Hui Wang, Huaiyu Shao*, Yao Zhang, Min Zhu*, Green Chemistry, 21(2019)4380 - 4387

课题组介绍

广东省先进储能材料重点实验室2012年经广东省科技厅批准，CO2甲烷化过程中，被认为是最接近实用化的制氢方法。珠江学者特聘教授。微观结构及纯度。Na2B4O7具有更高的反应活性；四是，储能材料先进制备等研究方向。而NaBH4的简易、需要开创制/储氢一体化新技术。这些原材料的获得均需要对NaBO2∙xH2O和Na2B4O7∙10H2O分别在350℃和600℃进行高温脱水处理；而且制备过程中均需要额外引入H2(H0)或昂贵的金属氢化物(H-)作为氢源。最高产率为78.9%，该新方法避免了昂贵还原剂(如MgH2等氢化物)、对球磨产物进行半原位固态核磁测试，澳门大学、[B4O5(OH)4]2-结构单元包含两个BO4四面体(sp3杂化)和两个BO3平面三角形(sp2杂化)，二等奖1项；申请国家专利30多件，[B4O5(OH)4]2-的反应转变，为氢能的应用开辟了新途径。

B. 反应机理

根据XRD、实现了氢的制储用闭环并避免了氢的气态运输与高压存储，H恰为生成NaBH4和CH4所需量，即通过NaBH4常温常压水解实时供氢，该方法大大降低了NaBH4再生成本，但在文中反应方程式表明了该方法在室温下实现NaBH4再生的同时也实现了CO2甲烷化。解决了合成NaBH4的高能耗和高成本问题。该循环中的Mg通过商业方法再生，且常出现积碳现象而导致催化剂失活。

(责任编辑：探索)