钼基金属有机框架及其衍生催化剂的设计并应用于燃油氧化脱硫

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机动车的广泛使用不仅带来了便利的交通,也带来了大量的污染。由于机动车所使用的燃油中含有硫化物,因此在使用时会通过尾气向空气中排放大量的SOx。为了实现绿色能源可持续发展,以及保护子孙后代的绿水青山,所以需要对能源进行清洁利用。其中对燃油的清洁利用主要是脱硫处理,目前各个国家均已针对燃油中的硫含量设立标准,例如我国的国六标准规定燃油中的硫化物含量须低于10 ppm。截至目前,已有众多的脱硫方式,其中氧化脱硫不仅反应条件非常温和,而且脱硫效率极高,因此倍受关注。近年来,金属有机框架材料(MOFs)在催化领域被应用得如日中天。本文设计合成了一系列Mo-MOFs,及其衍生的催化剂用于活化过氧化氢(H2O2)进行氧化脱硫。主要包括以下三个体系:1.以咪唑以及衍生物为有机骨架,MoO3为金属节点通过简单的水热回流法制备了一系列Mo-MOF。以H2O2为氧化剂、离子液体1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Omim]PF6)为萃取剂测试了其氧化脱硫的活性。结果表明,在m(catalyst)=0.01 g,V(模型油)=5 m L,V([Omim]PF6)=1 m L,T=60°C,O/S=3的反应条件下,仅需12 min对模型油中二苯并噻吩(DBT)的脱除效率便可达到99.4%。此外,该催化剂具有良好的循环性能,在反应时间为60 min时,可以稳定循环20次。2.上一章的Mo-MOF虽然具有较高的催化性能,但使用了较为昂贵的离子液体作为萃取剂,本章以Mo-MOF为钼源,尿素为掺氮剂和分散剂,碳纳米管为载体,通过在氩气氛围下煅烧将MoO2均匀锚定在氮掺杂碳纳米管(CNT)上,制备了催化剂MoO2@U-CNT。通过调节尿素的用量可以有序调控氮的掺杂量以及MoO2的粒径。利用催化剂MoO2@U-CNT活化H2O2探究了催化剂的氧化脱硫性能。结果表明,在m(catalyst)=0.01 g,V(模型油)=5 m L,T=50°C,O/S=3的反应条件下,仅需30 min对模型油中DBT的脱除效率便可达到99.6%,而且不需要使用离子液体。该催化剂具有良好的循环效果,可以稳定循环8次,脱硫率仍能达到99.7%。此外,在该反应体系中,不仅能够将燃油中的硫化物去除,而且能够将反应的产物通过简单的分离进行回收。3.为了进一步提升催化剂的比表面积和降低催化剂的成本,本章以Mo-MOF为钼源,柠檬酸钙为碳源,利用聚乙二醇-200将Mo-MOF均匀分散在柠檬酸钙中。通过在氩气气氛下煅烧制备了多孔碳均匀负载无定形MoO3的复合材料。以H2O2为氧化剂对模型油(DBT)进行了氧化脱硫活性测试。结果表明,在m(catalyst)=0.005 g,V(模型油)=5 m L,T=60°C,O/S=3的反应条件下,仅需20 min对模型油中DBT的脱除效率便可达到99.1%。该催化剂具有良好的循环效果,可以稳定循环9次,脱硫率仍能达到99%。通过机理探究发现,该反应的主要活性物质是羟基自由基,且主要产物是DBTO2。此外在本工作中,不仅能够将燃油中的硫化物全部去除,而且能够将反应的产物通过简单的分离进行回收再利用。
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