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北大创制分子氧氧化脱硫催化材料,柴油脱硫应用取得进展

2022年9月13日

9月7日,北京大学材料科学与工程学院郭少军教授团队设计出一种亚纳米厚度的氢氧化钴纳米片负载原子级钼催化剂,用于噻吩硫化物的高效分子氧氧化反应。结果表明,该催化剂的转换频率比目前最先进的多金属氧化物高出两个数量级,可在60℃的低温条件下激活反应,并在80℃时实现加氢柴油的完全脱硫。

柴油是远程运输和工程机械领域不可或缺的高能量密度燃料,商品柴油需要预脱硫以减少硫氧化物排放。目前,石化行业普遍采用加氢脱硫来达到上述目的。这需要高昂的成本和能量消耗。利用空气作为可持续的氧化剂,分子氧氧化脱硫(AODS)是加氢脱硫的理想替代。然而,AODS需要在低温和常压条件下实现硫化物的转化,以降低能耗和爆炸风险。因此,需要高效催化剂克服温和条件下氧气活化的挑战。

据介绍,以非金属钨、钼和钒,金属铜和铂等为主体的多相催化剂对噻吩类硫化物的氧化反应活性较高。其中,钼基金属氧化物兼具良好的催化活性和优异的催化稳定性。三氧化钼本身是非活性的,需要通过与其他氧化物复合来引入稳定的低价态钼,诱导表面氧空位形成,增强对分子氧的吸附活化。

为此,郭少军团队提出了一种在金属氢氧化物纳米片上锚定钼单原子的通用性方法,合成过程简单且易于规模化。他们通过改变宿主氢氧化物,精准地调控钼单原子位点的电子结构。基于此,该团队设计出一种亚纳米厚度的氢氧化钴纳米片负载原子级钼催化剂,用于噻吩硫化物的高效分子氧氧化反应。

实验结果表明,该催化剂的转换频率高、能耗低、耐用性高,进一步溶剂萃取可使脱硫柴油的硫含量低于10ppm,达到当前的硫含量标准。

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此外,研究人员对钼基单原子位催化材料开展了应用性能评价,在80℃条件下对加氢柴油和直馏柴油进行了AODS实验。对于加氢柴油而言,几乎所有的硫化物均在50分钟内完全转化,表明钼基单原子位催化材料具有优异的催化活性。钼基单原子位催化材料在经过多次催化循环测试后,仍可保持良好的转化效率。他们进一步对重复使用的催化材料进行表征,钼位点的精细结构或氧化状态均未发生变化,表明钼基单原子位催化材料具有优异的催化稳定性。


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