ACS Catal：宾夕法尼亚州立大学报道SO2低温Plasma还原生成硫

纳米技术

2020-04-19

低温条件一步还原SO₂生成S单质有较大的困难，宾夕法尼亚州立大学Chunshan Song报道了一种低温plasma增强作用实现SO₂还原为S的方法，该方法通过介电势垒放电（dielectric barrier discharge，DBD）填充床反应器（packed bed reactor）进行，通过与FeS₂的plasma作用耦合，实现了在150 ℃的低温实现还原SO₂反应，使用H₂和CH₄还原时分别使转化性能提高200 %和100 %。

文章要点：

（1）FeS₂和ZnS作用分别使H₂转化率提升了81 %和56 %，同时SO₂转化率分别提高109 %和69 %，ZnS在plasma作用中有催化活性，但是ZnS在400 ℃加热作用中没有催化活性。作者认为ZnS在plasma作用中的催化活性可能通过增强Zn-S之间的相互作用导致，但是详细作用机制还不清楚。

（2）对plasma作用的机理讨论。FeS₂和ZnS的plasma效应明显强于Fe和Zn的氧化物，并且FeS₂和ZnS生成S的选择性得以提高，作者认为可能的反应机理有两种：一种是通过中间体H₂S进行，一种是通过SO₂直接还原为S。plasma的作用为活化plasma相（实现Claus催化反应位点）和硫化物界面（SO₂氢化反应）上的H₂。在使用CH₄还原SO₂的反应中，作者发现能够选择性的生成53 %的C2~C3物种。CH₄在plasma相生成CH_x物种，并和SO₂反应。由于该反应中生成CO₂和CO，作者认为CH₄会通过部分氧化和完全氧化反应。该反应由于生成了H₂S等副产物，硫的选择性提高至96 %。作者发现，plasma作用能够和催化剂表面反应，影响表面吸附过程，说明plasma能够直接活化催化剂，而不仅仅激发plasma相的反应物。

         总之，作者认为将SO₂还原与活化H₂和CH₄协同作用，实现了在150 ℃低温将SO₂还原为S，这种方法可能对SO₂环境问题的解决起重要作用，该方法提供了一种对生物能和化石能源SO₂排放的环境保护策略。

参考文献

Mohammad S. AlQahtani; Sean D. Knecht; Xiaoxing Wang; Sven G. Bilén; Chunshan Song*

One-Step Low-Temperature Reduction of Sulfur Dioxide to Elemental Sulfur by Plasma-Enhanced Catalysis，ACS Catal. 2020, 10, XXX, 5272-5277

DOI：10.1021/acscatal.0c00299

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.0c00299

作者介绍

  Chunshan Song教授是国际洁净燃料和催化领域著名专家，美国化学会石油化学分部和燃料化学分部的主席，国际匹兹堡煤碳会议委员会主席，35个以上的国际会议的主席或者共同主席。目前，Chunshan Song教授还是“Applied Catalysis B: Environmental”, “Catalysis Today”, “Energy & Fuels”, “Research on Chemical Intermediates”, “RSC Catalysis” Book series, “Journal of Fuel Chemistry and Technology”, “Acta Petrolei Sinica-Petroleum Processing”, “SciencePaper online-Chemistry and Chemical Engineering”, and “Coal Conversion”等期刊的编委。 Chunshan Song教授著有170篇期刊论文，18篇专利和专利应用，15本著作；参加过40次国际会议大会或者主题报告，160次世界范围内的邀请报告以及撰写超过200篇的会议文章。