Исследование механизма и кинетики сероочистки топлива с использованием пьезоэлементов CexOy/NiOx.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7574 (2023) Цитировать эту статью

412 Доступов

Подробности о метриках

Для развития технологии десульфурации первостепенное значение будет иметь новый метод превосходной окислительной десульфурации топлива при комнатной температуре. В качестве нового метода десульфурации мы разработали пьезокатализаторы, которые не требуют добавления каких-либо окислителей и могут осуществляться при комнатной температуре. СВЧ-методом были получены нанокомпозиты CeO2/Ce2O3/NiOx. Модельные и реальные скорости десульфурации топлива были исследованы в зависимости от параметров синтеза, таких как мощность и время микроволнового излучения, и условий эксплуатации, таких как pH и мощность ультразвука. Результаты показали, что нанокомпозиты CeO2/Ce2O3/NiOx продемонстрировали выдающуюся пьезодесульфурацию при комнатной температуре как для модельного, так и для реального топлива. Кроме того, нанокомпозиты CeO2/Ce2O3/NiOx продемонстрировали замечательную возможность повторного использования, сохраняя 79% своей пьезокаталитической активности даже после 17 повторений десульфурации реального топлива. Исследование механизма окисления серы показало, что главную роль играют супероксидные радикалы и дырки. Кроме того, кинетическое исследование показало, что удаление серы с помощью пьезокатализатора соответствует кинетической модели реакции второго порядка.

Энергия низкочастотной вибрации присутствует повсюду в окружающей среде и имеет блестящую перспективу для решения проблем энергетического кризиса и загрязнения. Однако эффективного использования этой низкочастотной энергии не произошло1,2. Энергия низкочастотной вибрации может быть преобразована в энергию двумя способами: пьезоэлектрический сбор энергии и пьезоэлектрический катализ3,4,5. В результате пьезоэлектрического катализа механические колебания могут быть преобразованы в свободные заряды на поверхности пьезоэлектрических материалов в широком диапазоне сред (например, в воде и воздухе). В результате локального микроэлектролиза воды пьезокаталитические материалы могут производить ряд активных форм кислорода (АФК), таких как ·OH, ·O2–, ·HO2 и H2O2. В текстильной, химической, фармацевтической и пищевой промышленности АФК используются для каталитического окисления и разложения токсичных и канцерогенных красителей в воде6,7,8.

Цель данной работы – предложить новое применение пьезокатализаторов; В качестве пьезокатализаторов для десульфурации модельных и реальных топлив мы использовали нанокомпозиты оксид никеля/оксида церия. Использование пьезокатализа имеет ряд преимуществ по сравнению с существующим катализом в процессах десульфурации. Они могут работать в темноте, показывать высокую скорость десульфурации и низкую стоимость, а также улавливать низкочастотные вибрации, присутствующие в окружающей среде, для запуска реакций десульфурации.

Несмотря на принятие в последние годы новых энергетических стратегий, использование традиционных видов топлива остается доминирующим. В результате сгорания серосодержащего топлива образуется SOx, что способствует образованию кислотных дождей и мелких твердых частиц (PM 2,5), а также коррозии двигателей и каталитических нейтрализаторов8,9,10,11. Во всем мире были приняты строгие правила по ограничению использования топлива с низким содержанием серы12,13. Используя гидрообессеривание (HDS), которое широко используется в промышленности на протяжении десятилетий, можно легко удалить алифатическую серу из мазута при промышленном производстве. Из-за стерических затруднений трудно удалить из топлива ароматические соединения серы, такие как дибензотиофен (ДБТФ). Для удаления производных тиофена требуются высокие температуры и давления, а также большое количество водорода, что приводит к высоким эксплуатационным затратам и потере октанового числа14,15,16,17,18,19,20. Мы представляем здесь пьезокатализатор, который удаляет соединения серы из модели и реального топлива без добавления каких-либо окислителей и только за счет применения механической силы. Напротив, предыдущие методы десульфурации требовали добавления окислителей, таких как H2O221,22,23,24,25,26,27. Недавно процесс окислительной десульфурации был модифицирован с использованием одноатомных катализаторов с металлическими ядрами, содержащими большое количество земли, и прочными нанопористыми носителями, а также смешанными оксидами переходных металлов28,29,30. В результате использования одноатомных катализаторов или смешанных оксидов переходных металлов эффективность и стабильность катализатора были улучшены.