江苏大学研究团队：双氧原子掺杂的氮化硼材料用于吸附脱硫研究 | Engineering
江苏大学研究团队：双氧原子掺杂的氮化硼材料用于吸附脱硫研究 | Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
氧原子普遍共存于六方氮化硼（h-BN）吸附剂中。 h-BN是一种二维层状材料，广泛应用于各种领域，如催化、吸附、磁性、导热、生态学和生物学领域等。 通过对h-BN材料的原子结构和电子结构进行改性，还能进一步扩展该材料在氧化、超级电容器、电化学合成和吸附分离等领域的应用。根据以往的文章报道，氮化硼材料的电子结构和表面结构在储氢和吸附脱硫等应用中也起着重要作用。 特别是杂原子掺杂的氮化硼材料，与原始氮化硼相比，具有独特的电子结构，因而表现出独特的物理化学性质，如优异的催化活性、较强的电子离域效应和较高的吸附性能等。 因此利用h-BN中的氧原子以强化其与吸附质之间的相互作用，从而提高材料的吸附性能，是一个亟待解决的课题。
江苏大学朱文帅研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年7期刊发表了题目为《双氧原子掺杂的氮化硼材料用于吸附脱硫研究》的研究性文章，以聚合法构建氧原子晶格内部取代和边缘羟基化修饰的双氧原子位点改性BN（BN‒2O）材料。BN‒2O的边缘羟基氧原子能够增强DBT与其非均匀表面的π-π作用，从而促进多分子层型吸附过程。文章表明，相比边缘羟基取代BN（BN‒OH）材料，BN‒2O材料对燃油中DBT的吸附容量提升了12%。文章的密度泛函理论计算还揭示了BN‒2O晶格内部的氧原子可以通过极化吸附质的方式增强其与BN‒2O之间的偶极作用，进一步提高BN‒2O从富含芳烃的燃油中选择性吸附DBT的能力，使得其在燃油吸附脱硫领域表现出更好的应用前景。吸附结果符合Freundlich模型和准二级动力学模型结果，因此该聚合法同样可被应用于其他杂原子掺杂体系以提升吸附剂的吸附性能。
文章指出，轻质油（LCO）是炼油厂催化裂化（FCC）工艺的重要副产品之一，具有较高的芳烃含量（质量分数高达90%）和硫含量（质量分数高达4.0%），因而在用作燃油之前需要对轻质油进行进一步处理。工业上广泛采用加氢处理和加氢裂化技术处理LCO，通过对LCO组分中的多环芳烃进行加氢、裂化和异构化，将LCO升级为高质量产品。然而对于LCO中芳香族硫化合物，如二苯并噻吩（DBT）和4,6-二甲基二苯并噻吩（4,6-DMDBT）等，加氢反应条件尤为苛刻，导致LCO脱硫成本较高，因此开发其他的脱硫技术以降低清洁燃油的生产成本尤为重要。
文章介绍了多种非加氢脱硫方法，如氧化脱硫、萃取脱硫和吸附脱硫被相继开发，作为现有加氢脱硫方法的补充，旨在去除难处理的芳香硫化合物，其中吸附脱硫因可在温和条件下吸附芳香族硫化合物而受到广泛关注，有望与现有加氢脱硫技术联用以降低LCO的处理成本。
文章表明，硼氮氧材料具有良好的稳定性且更强的吸附能，可以作为一种优异的储氢材料；此外调控BN材料的电子和表面结构是一种能够有效而直接地提升吸附脱硫性能的策略，因此文章通过构建具有边缘羟基氧以及内部取代氧原子的BN材料，用以研究不同取代位置对吸附脱硫性能的影响。文章可为氧掺杂BN材料的可控合成制备及其吸附脱硫应用提供了深入的见解，并有望为其他杂原子掺杂吸附材料的设计提供思路。
以上内容来自：Jing Luo, Yanchen Wei, Yanhong Chao, Chao Wang, Hongping Li, Jun Xiong, Mingqing Hua, Huaming Li, Wenshuai Zhu. Engineering Dual Oxygen Simultaneously Modified Boron Nitride for Boosting Adsorptive Desulfurization of Fuel [J]. Engineering, 2022, 14(7): 86-93.
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2020.08.030