缺陷型多孔六方氮化硼的构筑及其催化氧化燃油脱硫研究

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随着人们对大气环境污染问题的日益重视,环境保护和燃油硫含量的相关规定陆续出台。燃油中大量有机含硫化合物的燃烧会转化为硫氧化物(SOx),同时还会造成酸雨和炭烟颗粒物(PM2.5)等环境污染问题。此外,含硫化合物会导致三效催化剂中毒,间接加剧大气污染的产生。因此,绿色清洁燃油的生产对于维持健康的生活和友好的环境至关重要。目前,针对传统加氢脱硫(HDS)技术的不足,在所有的新型脱硫技术中,氧化脱硫(ODS)以其反应条件温和、脱硫效率高的特点受到了研究者们的广泛关注。本论文主要以六方氮化硼(h-BN)为研究对象,设计并构筑了一系列具有缺陷结构的非金属多相催化剂。考察了催化剂活化分子氧(O2)的催化氧化脱硫性能,并系统探究了催化反应机理及其构效关系。主要研究内容及实验结果如下:1.以三元低共熔溶剂(DESs)作为前驱体和模板剂,调节h-BN的电子结构。采用一步煅烧法合成了具有多级孔结构的碳掺杂氮化硼(BCN)催化剂。通过表征结果证实了其具有多孔结构,且BCN催化剂中的碳团簇促进了电子离域效应,加速了氧气的活化。将所制备的BCN-x用于活化分子氧催化氧化脱硫体系,考察了不同反应条件对催化氧化脱硫性能的影响。实验结果表明,在m(BCN-1)=50 mg,V(model diesel)=20 mL,v(air flow)=100 mL?min-1,T=125°C条件下,反应4 h能够实现对模型油中DBT 98.4%的脱除率,达到深度氧化脱硫的目的。该催化剂对4-MDBT和4,6-DMDBT也具有较好的催化性能,脱硫顺序依次为DBT>4,6-DMDBT>4-MDBT。所制备的BCN催化剂能够连续循环使用5次,活性无明显下降。结合密度泛函理论(DFT),表明该催化剂良好的催化活性来源于改进的电子离域提高了BCN的电子密度,促进了分子氧的活化。2.采用真空煅烧法合成了一种具有B、N双空位的氮化硼催化剂(V-BN)。通过实验和表征结果证实,在真空处理过程中,B-O和N-H键部分断裂,以水分子的形式被去除,留下B、N双空位,作为反应活性位点提升了O2的解离吸附性能。将所制备的V3-BN用于活化分子氧催化氧化脱硫体系,结果显示,在m(V3-BN)=50 mg,V(model diesel)=20 mL,v(airflow)=100 mL?min-1,T=125°C条件下,反应6 h能够实现对DBT的完全脱除。同时,对4-MDBT也展现出良好的催化氧化脱硫活性。催化剂可循环使用6次,活性无明显下降。通过热过滤实验、电子自旋共振(ESR)表征对反应机理进行了深入的探究。最后通过理论计算进一步验证了DBT在双空位上的氧化反应路径。3.采用熔盐辅助法制备了具有高结晶度缺陷型多孔结构的氮化硼(BN-x:y)催化剂。通过表征证明了熔融盐(KCl、LiCl)能够在煅烧过程中起到软模板剂和结构导向剂的作用,提升氮化硼的结晶度,改善了孔道结构,同时产生硼缺陷,暴露出更多的活性位点。将所制备的催化剂用于活化分子氧催化氧化脱硫体系,考察了不同反应条件下的氧化脱硫性能,得出最佳反应条件为:熔盐比例为4:6,总质量为4 g,m(BN-4:6)=50 mg,T=125°C,反应8 h,氧化脱硫性能达到96.7%以上,达到深度脱硫的目的。催化剂对DBT、4-MDBT、4,6-DMDBT三种不同含硫化合物均展现出较强的催化活性,脱硫顺序依次为DBT>4,6-DMDBT>4-MDBT。催化剂循环使用16次后,催化活性仍能达到94%以上。通过气质联用(GC-MS)、ESR表征结果表明,氧化产物为DBTO2,且反应过程中的活性物种为O2·-
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