我所研发出整体成型的碳纳米催化剂用于选择性氧化工业气中硫化氢

  近日,我所电镜技术研究组(DNL2002)刘岳峰副研究员等设计并制备了整体成型的碳纳米复合催化材料,用于连续式工况条件下高效催化转化工业气中高含量硫化氢。该材料适用于高氧气含量、高CO2含量、高水汽含量等复杂工况条件下的硫化氢选择氧化工艺,具有优异的高附加值硫产物选择性和反应稳定性。

  硫化氢(H2S)的超精度脱除在石油炼制、天然气净化及煤化工等领域具有重要作用。然而,目前所采用的H2S选择性氧化催化剂具有不耐水汽和杂质气等问题,导致催化剂的活性与稳定性能较差,特别是在连续式反应工艺中该问题更为突出。因此,设计一种在复杂条件下具有高催化活性、高硫选择性、优异抗杂质气体特性的针对连续式H2S选择性氧化的催化剂,具有重要的应用价值。

  纳米碳材料因其具有独特的表面化学性质和优异的催化性能,在H2S选择性氧化中受到广泛研究,但由于过度活泼的活性中心和反应强放热特征容易导致产物过度氧化成SOx。研究团队在前期工作基础上(ACS Catal.,2016;J. Mater. Chem. A,2020;J. Hazard. Mater.,2021),对氮掺杂的整体式碳材料进行磷酸盐表面修饰,在保证原有转化率(>97%)的基础上,显著提高了产物的选择性,其催化剂的单位质量活性可达503gsulfur/(kgcat·h)。此外,该催化剂在包含杂质气(高浓度CO2、O2、水汽分压以及SO2)的反应气氛中,仍能保持其优异的催化活性和稳定性。结合XPS、程序升温等表征手段,以及动力学分析和理论计算,团队发现引入的磷基团与作为反应活性中心的吡啶氮位点之间存在相互作用,这种作用能够抑制O2分子在活性位点上的吸附和活性,从而避免了过度氧化的发生,并提高了产物选择性。本研究为设计具有复杂反应环境下的高活性脱硫纳米碳催化剂提供了新思路。

  相关工作以“Heteroatom-Doped Monolithic Carbocatalysts with Improved Sulfur Selectivity and Impurity Tolerance for H2S Selective Oxidation”为题,于近日发表在ACS Catalysis上。该成果形成的专利“一种硫化氢选择性氧化脱除催化剂及其制备方法与应用”获得国家发明专利授权。该工作的共同第一作者是我所DNL2002与四川大学联合培养硕士研究生许驰、DNL2002博士后顾青青、DNL2002的2020级博士研究生李世艳。该工作得到国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”、中科院青促会等项目的资助。(文/图 许驰)

  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c01252

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