[发明专利]一种具有多孔结构的花状铁掺杂二氧化铈的制备及其脱硫应用

说明书

本发明公开了一种具有多孔结构的花状铁掺杂二氧化铈的制备方法，属于催化剂制备技术领域。该方法以铈盐、铁盐和氨水溶液为原料，添加聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸和不同的扩孔剂，合成具有多孔结构的花状铁掺杂二氧化铈。该催化剂具有多孔结构，相比模板法工艺更加简单，可重复性强。铁离子的掺杂会引起二氧化铈晶格扭曲，使材料晶格内出现更多的晶格缺陷和氧空位，进一步增加储氧能力和氧化还原能力。并且铁与铈离子的电子转移会抑制副产物SO₂被氧化成SO₃，从而减少硫酸铈的生成。另外，多孔结构暴露丰富的活性位点，有效地促进了反应的进行，使催化剂在选择性催化氧化H₂S反应中表现出更高的催化活性、硫单质选择性和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种环境催化剂的制备技术及其应用领域，具体涉及一种具有多孔结构的花状铁掺杂二氧化铈制备方法及其在氧化H₂S方面的应用。

背景技术

天然气开采和石油加工等生产过程伴生H₂S等含硫气体，不仅会腐蚀生产设备、毒害催化剂，还严重污染环境。目前处理H₂S最常用的技术是Claus工艺，该工艺可以从含硫的气体中回收硫单质（2H₂S + SO₂ ⇆ 3S + 2H₂O）。但是，由于Claus平衡反应的热力学限制，在排放的尾气中仍然存在约4%的H₂S。为了完全去除残留的H₂S，人们发展了H₂S选择性氧化成单质硫的技术。反应式如下所示：

选择性催化氧化脱除H₂S，具有反应不受热力学平衡限制，可将H₂S完全转化并回收单质硫，实现硫资源化利用的独特优势，并且该反应过程简单，工艺先进，因此该方法是最具应用前景的脱硫技术之一。该技术的关键在于研发高效的选择性氧化催化剂。

TiO₂、Cr₂O₃、V₂O₅等金属氧化物作为常用的催化剂或催化剂载体被广泛应用于H₂S选择性氧化的反应中。然而，它们仍然存在不足之处，限制了这些催化材料的进一步发展。例如，TiO₂催化剂在有水的条件下容易失活，Cr₂O₃和V₂O₅自身毒性较大。

CeO₂作为一种良好的储氧材料，由于其丰富的氧空位、可控的表面酸碱性以及Ce³⁺和Ce⁴⁺之间的氧化还原能力被广泛应用。该材料在H₂S选择性氧化方面的应用也有初步的研究，但是目前从文献报道结果看，CeO₂材料选择性氧化H₂S的稳定性较差，这可能是因为使用的CeO₂在H₂S氧化反应中容易生成稳定的硫酸盐，生成的硫酸盐覆盖了活性中心，使活性位点的数目减少，从而无法满足长时间的反应。铁离子的掺杂会引起二氧化铈晶格扭曲，使材料晶格内出现更多的晶格缺陷和氧空位，进一步增加储氧能力和氧化还原能力，进而提高催化活性。并且铁离子与铈离子的电子转移会抑制副产物SO₂被氧化成SO₃，从而减少硫酸铈的生成，提高材料的活性稳定性。因此，通过调控制备具有多孔结构的花状铁掺杂二氧化铈材料有望提高材料的氧空位数量和活性位点的充分暴露，从而实现其高效高选择性地氧化H₂S为单质硫，且稳定性良好。

发明内容