[发明专利]一种过渡金属二维纳米片的应用

说明书

一种过渡金属二维纳米片在硫化氢选择性氧化催化剂中的应用。所述的过渡金属二维纳米片为钛酸二维纳米片、铌酸二维纳米片或钛铌酸二维纳米片。本发明首次将过渡金属二维纳米片应用在硫化氢选择性催化氧化领域，其在硫化氢选择性催化氧化反应中具有很好的稳定性，不仅大大拓宽了过渡金属二维纳米片的应用领域，也为新型硫化氢选择性氧化催化剂的开发提供了实验基础。

技术领域

本发明属于过渡金属催化材料技术领域，具体涉及一种过渡金属二维纳米片的应用。

背景技术

硫化氢(H₂S)气体广泛存在各种工业用气或化工废气中，如：天然气，液化石油气，催化加氢脱硫废气，煤气化产生废气，石油炼制、汽油、柴油以及航空涡轮发动机燃料等废气。硫化氢气体的存在不仅会腐蚀管道、仪器、设备，使催化剂发生中毒以致失活，还会影响产品质量并造成环境污染，同时硫化氢会对人和动物产生伤害，当硫化氢的浓度大于700ppm时，甚至会导致死亡。所以如何有效处理H₂S气体是石油工业和天然气工业发展进程中迫切需要解决的问题。

目前，H₂S的脱除技术主要采用克劳斯工艺。即通过H₂S部分燃烧形成SO₂，再与剩余部分的H₂S进行克劳斯反应。具体反应方程式如下：

H₂S+3/2O₂→SO₂+H₂O

2H₂S+SO₂→3/nSn+2H₂O

由于克劳斯反应受热力学平衡的限制，使得H₂S转化率不高，需多级转化。目前三级克劳斯装置最高H₂S转化率≦98％，其尾气中仍含有1％–3％的H₂S尾气。并且克劳斯技术工艺流程长，投资和运行成本高，限制了该工艺的应用。

为此，新型硫化氢脱除工艺的研发工作成为热点。在各种工艺中，选择性氧化H₂S为硫磺反应，具有投资少，流程短，运行成本低，维护简单方便等特点，并且该反应是不可逆反应，不受热力学平衡限制。因此，H₂S选择氧化法在H₂S的处理上显示出巨大的应用前景，其关键在于发展高效的催化剂。目前应用于H₂S选择性催化氧化领域的脱硫催化剂主要有碳材料、分子筛和金属氧化物等。但从实际应用和文献记载可知，以上催化剂仍存在不足之处。例如，活性炭、分子筛材料因其比表面积大、孔道丰富使其传质过程及产物硫脱附速率加快，但是该材料自身催化中心少，需要负载活性组分或进行改性后才具有催化性能，因而存在制备过程繁琐和活性组分在反应中易流失等问题；金属氧化物自身有催化活性位点，而且稳定性比较高，但比表面积较小，限制了其对H₂S的吸附，而且在反应中容易发生硫磺覆盖活性中心，使催化剂性能大幅降低。因此，除了在原有载体上改性外，发展新型高效的H₂S选择性氧化催化剂非常必要。

近期研究发现水滑石/类水滑石在H₂S选择性催化氧化领域表现出良好的催化活性，并具有良好的热稳定性。但该类化合物通常采用高温固相法合成，导致了其比表面积小，颗粒尺寸大，同时层间的电荷密度高，反应物分子很难进入层间，阻碍了其在H₂S催化氧化领域中的应用。

过渡金属二维纳米片是具有单分子层厚度以及极大的二维各向异性性质的剥离片层，由层状前驱物剥离而成。由于纳米片的厚度为单分子层厚度，一般是1-2nm，其侧面尺寸可达亚微米甚至微米级，因此与传统的无机材料相比，纳米片具有各向异性、表面效应及量子尺寸效应，比表面积大大增加，同时表面暴露出更多的活性位点。基于以上特点可知过渡金属无机二维纳米片是一类很有潜力的催化剂材料，但是目前关于纳米片在硫化氢选择性催化氧化领域内的应用还未见报道。

发明内容