9月7日，從北京大學(xué)傳出消息，該校材料科學(xué)與工程學(xué)院郭少軍教授團(tuán)隊設(shè)計出一種亞納米厚度的氫氧化鈷納米片負(fù)載原子級鉬催化劑，用于噻吩硫化物的高效分子氧氧化反應(yīng)。結(jié)果表明，該催化劑的轉(zhuǎn)換頻率比目前最先進(jìn)的多金屬氧化物高出兩個數(shù)量級，可在60℃的低溫條件下激活反應(yīng)，并在80℃時實現(xiàn)加氫柴油的完全脫硫。
柴油是遠(yuǎn)程運輸和工程機(jī)械領(lǐng)域不可或缺的高能量密度燃料，商品柴油需要預(yù)脫硫以減少硫氧化物排放。目前，石化行業(yè)普遍采用加氫脫硫來達(dá)到上述目的。這需要高昂的成本和能量消耗。利用空氣作為可持續(xù)的氧化劑，分子氧氧化脫硫(AODS)是加氫脫硫的理想替代。然而，AODS需要在低溫和常壓條件下實現(xiàn)硫化物的轉(zhuǎn)化，以降低能耗和爆炸風(fēng)險。因此，需要高效催化劑克服溫和條件下氧氣活化的挑戰(zhàn)。
據(jù)介紹，以非金屬鎢、鉬和釩，金屬銅和鉑等為主體的多相催化劑對噻吩類硫化物的氧化反應(yīng)活性較高。其中，鉬基金屬氧化物兼具良好的催化活性和優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。三氧化鉬本身是非活性的，需要通過與其他氧化物復(fù)合來引入穩(wěn)定的低價態(tài)鉬，誘導(dǎo)表面氧空位形成，增強(qiáng)對分子氧的吸附活化。
為此，郭少軍團(tuán)隊提出了一種在金屬氫氧化物納米片上錨定鉬單原子的通用性方法，合成過程簡單且易于規(guī)模化。他們通過改變宿主氫氧化物，精準(zhǔn)地調(diào)控鉬單原子位點的電子結(jié)構(gòu)。基于此，該團(tuán)隊設(shè)計出一種亞納米厚度的氫氧化鈷納米片負(fù)載原子級鉬催化劑，用于噻吩硫化物的高效分子氧氧化反應(yīng)。
實驗結(jié)果表明，該催化劑的轉(zhuǎn)換頻率高、能耗低、耐用性高，進(jìn)一步溶劑萃取可使脫硫柴油的硫含量低于10ppm，達(dá)到當(dāng)前的硫含量標(biāo)準(zhǔn)。
此外，研究人員對鉬基單原子位催化材料開展了應(yīng)用性能評價，在80℃條件下對加氫柴油和直餾柴油進(jìn)行了AODS實驗。對于加氫柴油而言，幾乎所有的硫化物均在50分鐘內(nèi)完全轉(zhuǎn)化，表明鉬基單原子位催化材料具有優(yōu)異的催化活性。鉬基單原子位催化材料在經(jīng)過多次催化循環(huán)測試后，仍可保持良好的轉(zhuǎn)化效率。他們進(jìn)一步對重復(fù)使用的催化材料進(jìn)行表征，鉬位點的精細(xì)結(jié)構(gòu)或氧化狀態(tài)均未發(fā)生變化，表明鉬基單原子位催化材料具有優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。
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