該團隊研制的宏觀成型納米碳復合催化材料表現(xiàn)出優(yōu)異的H2S選擇氧化成硫磺的選擇性、穩(wěn)定性以及抗雜質(zhì)氣體特性
硫化氫(H2S)的超精度脫除在石油煉制、天然氣凈化和煤化工等領(lǐng)域具有重要作用。然而，目前采用的H2S選擇性氧化催化劑具有不耐水汽和雜質(zhì)氣等問題，導致催化劑的活性與穩(wěn)定性能較差，特別是在連續(xù)式反應(yīng)工藝中該問題更為突出。因此，設(shè)計出一種在復雜條件下具有高催化活性、高硫選擇性、優(yōu)異抗雜質(zhì)氣體特性的針對連續(xù)式H2S選擇性氧化的催化劑，具有重要的應(yīng)用價值。
納米碳材料因其具有獨特的表面化學性質(zhì)和優(yōu)異的催化性能，在H2S選擇性氧化中獲得廣泛研究，但由于過度活潑的活性中心和反應(yīng)強放熱特征容易導致產(chǎn)物過度氧化成SOx。研究團隊在前期工作的基礎(chǔ)上(ACS Catal.，2016;J. Mater. Chem. A，2020;J. Hazard. Mater.，2021)，對氮摻雜的整體式碳材料進行磷酸鹽表面修飾，在保證原有轉(zhuǎn)化率(>97%)的基礎(chǔ)上，顯著提高了產(chǎn)物的選擇性，其催化劑的單位質(zhì)量活性可達503 gsulfur/(kgcat·h)。此外，該催化劑在包含雜質(zhì)氣(高濃度CO2、O2、水汽分壓以及SO2)的反應(yīng)氣氛中，仍能夠保持其優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。結(jié)合XPS、程序升溫等表征手段，以及動力學分析和理論計算，團隊發(fā)現(xiàn)引入的磷基團與作為反應(yīng)活性中心的吡啶氮位點之間存在相互作用，這種作用能夠抑制O2分子在活性位點上的吸附和活性，從而避免了過度氧化的發(fā)生，并提高了產(chǎn)物選擇性。該研究為設(shè)計具有復雜反應(yīng)環(huán)境下的高活性脫硫納米碳催化劑提供了新思路。
相關(guān)研究成果以Heteroatom-Doped Monolithic Carbocatalysts with Improved Sulfur Selectivity and Impurity Tolerance for H2S Selective Oxidation為題，發(fā)表在ACS Catalysis上。該成果形成的專利“一種硫化氫選擇性氧化脫除催化劑及其制備方法與應(yīng)用”獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。研究工作得到國家自然科學基金、遼寧省“興遼英才計劃”、中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助。
