贵金属催化剂硫中毒机制及抗性提升研究进展

创新点

实际工业废气中存在的SO₂极大限制了贵金属催化剂在催化氧化反应中的工程应用。因此，如何高效再生硫中毒催化剂或者基于原子水平设计耐硫催化剂成为环境催化领域亟待解决的问题。本综述首先分析了SO₂在贵金属催化剂上的吸附、迁移和转化过程，提出了硫中毒现象的本质是SO₂与活性中心/载体相互作用消耗催化剂氧物种甚至生成稳定金属硫酸盐，从而阻碍污染物的有效净化。其次，探讨了硫中毒催化剂的再生方法，并阐明了其中的再生机制。随后，总结了耐硫贵金属催化剂的设计策略，包括活性相调控、载体改性和包裹结构构建等，并提出构筑抗硫催化剂的关键是强化金属-金属/载体相互作用。最后，展望了耐硫贵金属催化剂未来的研究方向，以期为工业耐硫催化剂的优化设计提供指导。

通讯作者简介

翁小乐教授

翁小乐教授、博士生导师，现任职于浙江大学环境与资源学院，兼任中国环境科学学会减污降碳协同治理专业委员会常委/副秘书长，中国环境科学学会挥发性有机物污染防治专业委员会常委等。主要从事气态污染物分子的非均相催化控制，主持国家自然科学优秀青年基金、青年基金、面上基金、国家重点研发计划课题等多个项目。迄今已在Angewandte Chemie International Edition，Environmental Science & Technology等环境领域权威期刊发表SCI论文60余篇，入选全球前2%科学家。技术成果获浙江省科技进步奖一等奖2项。

第一作者简介

项力博士研究生

项力，浙江大学环境与资源学院2023级博士研究生。主要研究方向为耐硫贵金属催化剂开发，目前以第一作者在Environmental Science & Technology，Journal of Hazardous Materials等环境领域知名期刊发表SCI论文五篇，授权发明专利一项。

贵金属催化剂硫中毒机制及抗性提升研究进展

作者

项力¹，王胜迪²，翁小乐^1,*

单位

1. 浙江大学环境与资源学院

2. 物产中大元通汽车有限公司

基金项目

1. 国家重点研发计划青年科学家项目(2022YFC3704300)

2. 浙江省重点研发计划项目(2023C03127)

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摘要

实际工业废气中常含有SO₂杂质，在污染物催化净化过程中，SO₂会与反应物竞争吸附于催化剂活性位点，特别是易与贵金属发生化学作用生成硫酸盐，从而削弱贵金属的电子传递能力,造成不可逆的硫中毒现象。因此，如何高效再生硫中毒催化剂或者基于原子水平设计耐硫催化剂成为环境催化领域亟待解决的关键问题。首先分析了SO₂在贵金属催化剂上的吸附、迁移和转化过程。其次，探讨了硫中毒催化剂的再生方法，并阐明了其中的再生机制。随后，总结了耐硫贵金属催化剂的设计策略，包括活性相调控、载体改性和包裹结构构建等，并提出构筑抗硫催化剂的关键是强化金属-金属/载体相互作用。最后，展望了耐硫贵金属催化剂未来的研究方向，以期为工业耐硫催化剂的优化设计提供指导。

研究背景

石油化工、印染纺织、冶金、钢铁烧结和喷涂等行业生产过程中会向环境排放大量有毒有害气体，包括脂肪族、芳香族碳氢化合物和CO等。这些污染物的大量排放会诱发诸如臭氧层破坏、近地面O₃超标和雾霾等一系列环境问题。目前，针对气体污染物的处理技术主要分为回收法（吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离法等）和破坏法（直接/蓄热式燃烧法、生物法、光催化法、等离子体技术、催化氧化法等）两类。相比其他技术，催化氧化法具有操作温度低、净化效率高、二次污染少、适用范围广等优点，因而成为处理低浓度气体污染物的主流技术。

催化剂是催化氧化技术的核心。目前，应用较为广泛的催化剂包括贵金属基催化剂、金属氧化物基催化剂和钙钛矿催化剂等。其中，由于贵金属元素d层电子轨道未充满的特性，贵金属基催化剂往往更容易吸附活化反应物，因此具有优异的低温活性。然而，由于实际工业废气成分复杂，这类高活性催化剂在工程应用中面临严重的中毒失活问题。SO₂是常见的烟气污染物之一。据报道，燃煤烟气中SO₂浓度可达5000μL/L，即使经烟气脱硫工艺处理后，仍可能残留5~100μL/LSO₂。因此，催化氧化装置布置在脱硫塔前后均面临催化剂硫中毒风险。在催化氧化过程中，SO₂与反应物竞争吸附于活性位点，甚至与活性金属或载体发生化学作用生成硫酸盐而削弱电子传递能力，造成严重的不可逆硫中毒。因此，如何高效再生硫中毒催化剂或者基于原子水平设计耐硫催化剂是环境催化领域亟待解决的关键问题。

本文通过整理国内外关于SO₂对贵金属催化剂催化净化污染物性能影响的相关研究，总结了贵金属催化剂的硫中毒机制并论述了硫中毒催化剂的再生方法及构筑贵金属耐硫催化剂策略，以期为工业耐硫催化剂的优化设计提供指导。

部分图片

图1 硫酸盐形成机理图

图2 (a)Pt/CeZr-S的耐硫性能^[62]和(b)Pt-CoO_x/3DOM-Al₂O₃的耐硫机理^[74]

图3 (a)Pd-Ce NW@SiO₂的耐硫性能^[63]和(b)具有TiO₂包裹层的Pd/TiO₂-A400合成方法^[2]

引文格式

项力, 王胜迪, 翁小乐. 贵金属催化剂硫中毒机制及抗性提升研究进展[J/OL].能源环境保护: 1-11[2024-07-16].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240706.

XIANG Li, WANG Shengdi, WENG Xiaole. Research progress on the mechanism of sulfur poisoning and resistance improvement of noble metal catalysts[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-11[2024-07-16].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240706.

　　责任编辑：宫在芹

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