近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所電鏡技術(shù)研究組副研究員劉岳峰等設(shè)計(jì)并制備了整體成型的碳納米復(fù)合催化材料，用于連續(xù)式工況條件下高效催化轉(zhuǎn)化工業(yè)氣中高含量硫化氫。該材料適用于高氧氣含量、高CO2含量、高水汽含量等復(fù)雜工況條件下的硫化氫選擇氧化工藝，具有優(yōu)異的高附加值硫產(chǎn)物選擇性和反應(yīng)穩(wěn)定性。
硫化氫（H2S）的超精度脫除在石油煉制、天然氣凈化及煤化工等領(lǐng)域具有重要作用。然而，目前所采用的H2S選擇性氧化催化劑具有不耐水汽和雜質(zhì)氣等問(wèn)題，導(dǎo)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(wèn)題更為突出。因此，設(shè)計(jì)一種在復(fù)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(duì)連續(xù)式H2S選擇性氧化的催化劑，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
該團(tuán)隊(duì)研制的宏觀成型納米碳復(fù)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
納米碳材料因其具有獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的催化性能，在H2S選擇性氧化中受到廣泛研究，但由于過(guò)度活潑的活性中心和反應(yīng)強(qiáng)放熱特征容易導(dǎo)致產(chǎn)物過(guò)度氧化成SOx。研究團(tuán)隊(duì)在前期工作基礎(chǔ)上（ACS Catal.，2016；J. Mater. Chem. A，2020；J. Hazard. Mater.，2021），對(duì)氮摻雜的整體式碳材料進(jìn)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(dá)503gsulfur/(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(dòng)力學(xué)分析和理論計(jì)算，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)引入的磷基團(tuán)與作為反應(yīng)活性中心的吡啶氮位點(diǎn)之間存在相互作用，這種作用能夠抑制O2分子在活性位點(diǎn)上的吸附和活性，從而避免了過(guò)度氧化的發(fā)生，并提高了產(chǎn)物選擇性。本研究為設(shè)計(jì)具有復(fù)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)工作以“Heteroatom-Doped Monolithic Carbocatalysts with Improved Sulfur Selectivity and Impurity Tolerance for H2S Selective Oxidation”為題，于近日發(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(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。該工作的共同第一作者是大連化物所與四川大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生許馳、大連化物所博士后顧青青、大連化物所2020級(jí)博士研究生李世艷。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省“興遼英才計(jì)劃”、中科院青促會(huì)等項(xiàng)目的資助。
