镁碳复合储氢材料放氢与噻吩加氢反应耦合的研究

噻吩等含硫化合物在一些化工原料及产品中是有害杂质，如合成树脂用苯、合成甲醇用气中的硫会导致催化剂中毒，汽油、柴油中的硫会导致环境污染。用加氢法可将噻吩转化为易于脱除的H2S。噻吩加氢一般用Mo、W、Co、Ni催化剂，这些金属资源少、成本高、易失活，并采用较高的氢气压强和反应温度而对设备材质要求高。.本项目研究储氢材料中固相原子态"晶格氢"（Ho）与噻吩的反应，噻吩加氢在没有高压气相分子态氢（H2）存在、不用Mo-W催化剂、较低温度下进行。储氢材料以镁和煤为原料经反应球磨、成型造粒制得，用氚示踪法研究储氢材料中晶格氢的加氢反应活性，用红外光谱、X射线光电子能谱、气相色谱/质谱联用等探究晶格氢向噻吩供氢的传质机制、对噻吩加氢的反应机理，结合材料结构、反应温度等对噻吩加氢的影响规律，建立储氢材料放氢与噻吩加氢耦合理论，为研发加氢新方法提供科学依据。

1. 项目背景. 含硫化合物在一些化工原料及产品中是有害杂质。焦炉煤气、焦化粗苯、汽柴油中的噻吩硫难以脱除，用加氢法将其转化为易于脱除的H2S。加氢反应用Mo-W催化剂，在较高的氢气压强（2～7 MPa）和反应温度（300～400℃）下进行，氢源是气相分子态氢（H2）。本项目将镁碳复合储氢材料中所储的固相原子态“晶格氢”（镁晶格间和碳微晶层片间的间充型H·）用于加氢脱硫，类似于金属氧化物中“晶格氧”用于部分氧化甲烷制取合成气，高反应活性晶格氢可直接与噻吩反应，是一新型的加氢脱硫方法。. 2. 研究内容. 晶格氢的加氢反应活性，在纳米尺度上解析噻吩加氢反应的氢源；噻吩加氢的反应路径，在分子尺度上解析晶格氢对噻吩加氢反应的路径；材料向噻吩供氢的传质机制，在原子尺度上解析晶格氢与噻吩反应前在材料表面的存在状态；材料放氢与噻吩加氢的耦合规律，解析材料结构、加氢反应条件对耦合程度的影响。. 3. 重要研究结果、关键数据. 提出了“晶格氢”用于加氢反应学术思想。镁碳复合储氢材料中的晶格氢与噻吩反应，使噻吩加氢在没有高压气相分子态氢存在、不用Mo-W催化剂、较低温度下进行。材料储氢密度达6.5%，材料中氢的加氢反应利用率达90%，揭示了晶格氢向噻吩供氢的传质机制，建立了晶格氢加氢反应理论。.提出了储氢材料内晶格氢转移与材料表面加氢脱硫反应的多尺度耦合理论。揭示了材料晶相组成、晶粒大小、晶面择优取向、加氢脱硫反应对晶格氢转移的影响机制，噻吩硫的H2S转化率达99.5%，建立了多尺度耦合理论，为材料结构设计和加氢反应条件优化提供了科学依据。. 4. 科学意义. 建立了储氢材料中“晶格氢”选择性加氢脱硫的理论体系。阐释了MgH2晶体表面噻吩类分子吸附结构，提出MgH2晶体选择性地对噻吩类分子的S原子端发生化学吸附，而对π键不发生化学吸附，建立了噻吩类分子的定向吸附晶体场理论；揭示了选择性加氢脱硫反应机理，C-S键选择性氢解，而C=C键不发生加氢反应；提出了晶格氢转移与加氢脱硫反应的耦合机制。对认知相间氢转移机理、加氢脱硫反应机理、反应耦合机理具有重要的学术意义。