两亲性埃洛石纳米管反应器应用于燃油的一步高效氧化脱硫

北科大王戈、杨穆教授CEJ：两亲性埃洛石纳米管反应器应用于燃油的一步高效氧化脱硫

文章信息

两亲性埃洛石纳米管反应器应用于燃油的一步高效氧化脱硫

单位：北京科技大学

研究背景

矿物燃料燃烧产生的SOx对生态系统及人类健康构成严重威胁，降低燃油中硫含量成为当今社会的迫切需求。国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ汽油中的硫含量分别从≤150PPM（单位，百万分之一，相当于mg/Kg或mg/T）、50PPM，降至≤10PPM。传统的氢化脱硫能有效去除燃油中的无机硫和大部分有机硫，但对于残余的芳香硫进一步降低存在处理困难费用高等问题。

氧化脱硫（ODS）利用催化氧化使芳香硫氧化改变其性能从而通过萃取或蒸馏除去，因其高效、低成本、易操作，可应用于燃油芳香硫化合物的去除。其中金属氧化物催化剂催化氧化能力强、化学稳定性好、易合成，在ODS领域得到广泛研究。在低浓度含硫底物油料中，如何构建高效催化氧化脱硫体系从而将低浓度含硫底物快速氧化并脱除是影响氧化脱硫工艺的关键问题。

?

文章简介

?

该反应器外表面亲油，在燃油中能均匀分散；管内壁亲水，催化剂分散锚定在内壁，加入绿色氧源双氧水，它也会填充在管内腔，管腔内的水相H2O2能从燃油中将含硫有机物萃取富集到管内，H2O2被MoOx激发形成Mo-过氧化物活性氧中间体，实现含硫有机物高效催化氧化。芳香硫氧化产物极性增加，仍将保留在空腔中，并可通过催化剂与油相的分离，同步将氧化产物从油相中有效脱除，减少了通常氧化脱硫工艺中的萃取或蒸馏环节，实现低浓度芳香硫的一步氧化脱除。

?构建的ODS体系易于操作（低于60℃常压条件），可以快速（15min）、高效（100%脱硫率），一步（氧化产物无需萃取后处理）实现燃油氧化脱硫。该工作以天然矿物埃洛石纳米管材料作为载体，低成本合成了负载型催化剂，两亲性、管状特点和催化活性中心的高度分散保证了其对低浓度的含硫物体系仍能高效催化，兼并催化氧化和氧化产物脱除为一步，使氧化脱硫过程更加快速高效、绿色环保，具有很好的工业应用前景。

图1 Mo/HNT/S纳米反应器在模拟油中高效脱硫的反应机理

图2 两亲性Mo/HNT/S纳米反应器的合成示意图。

图3 埃洛石纳米管的(a) SEM，(b) TEM图, Mo/HNT/S纳米反应器的(c) TEM图, (d) EDS图像。

图4 Mo/HNT和Mo/HNT/S的水接触角以及在油相中的分散性

图5 Mo/HNT/S纳米反应器中保留氧化产物DBTO2的TG分析以及Mo/HNT/S纳米反应器的循环稳定性。

将(NH4)6Mo7O24加入含有HNT的水溶液中，利用静电吸附作用将Mo7O246-吸附在HNT的内表面，在合适的温度下煅烧，得到Mo/HNT，再通过化学键合作用，在其外表面接枝疏水的有机硅烷，得到两亲性Mo/HNT/S纳米反应器。制备的两亲性Mo/HNT/S纳米反应器，长0.5-1.5 μm，管外径为50-75 nm，管内径 10-15 nm，形貌与HNT相比几乎没有改变，通过TEM与EDS图分析催化活性中心MoOx位于管内表面且高度分散。

由于外表面接枝疏水的有机碳链而表现为疏水性，可以良好的分散在油相中，有利于催化反应的进行。通过对回收的催化剂进行热重分析，发现氧化产物全部分布保留在反应器中，从而可以和催化剂一起分离出来，获得无硫燃油。该催化剂还具有良好的循环稳定性，将回收的催化剂用极性溶剂洗涤，烘干后再进行下一次催化，循环5次仍然具有良好的催化活性，具有良好的工业应用潜力。

文章链接

?https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138595

课题组介绍

杨穆，北京科技大学材料学院，教授。主要研究领域为微纳米功能材料的制备、性能和应用研究。近年来，在介孔材料、MOF等多孔材料的结构设计和可控制备及其在催化、储能领域的应用研究上获得了系列成果，在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy等国际期刊发表学术论文90余篇，获得国家发明专利授权10余项，参与完成了国家重点研发计划课题等20余项国家或省部级项目。

王戈，北京科技大学材料科学与工程学院教授。2002年入选北京市科技新星计划，2005年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2012年被聘为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2013年入选国家百千万人才工程并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，2015年全国冶金教育系统年度杰出人物奖。从事高效集约型催化材料及高性能节能储能材料等方面的应用基础研究。在Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.、Nano Energy、Energy Storage Mater. 等期刊发表SCI收录论文230余篇，授权发明专利70余项。作为项目负责人先后承担了国家重点研发计划课题、863计划、973计划课题、国家科技支撑计划课题、国家自然科学基金重点及面上项目等国家或省部级项目。