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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，增強對分子氧的吸附活化。
為此，郭少軍團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。他們進一步對重復(fù)使用的催化材料進行表征，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。
