活性BN微/纳纤维的可控合成、修饰以及吸附脱硫性能研究

Research and development of adsorptive desulfurization technology for sulfur removal from liquid fuels are to be an important issue nowadays as the environmental pollution has become increasingly serious for the human wellbeing. Finding an effective desulfurization sorbent with high adsorption capacity, high selectivity and high regeneration ability is of key importance, so has attracted great attention in the scientific community. Compared with the traditional activated carbon sorbent, porous BN with high specific surface area and high surface chemical activity could be a promising candidate due to their excellent chemical stability and intrinsic local polarity, which can be advantages for the selective adsorption and easy regeneration. This project aims to controllable synthesis of activated BN micro/nano fibers with high surface area and surface chemical activity and study their adsorptive desulfurization properties. The correlation of the synthesis route with the size, specific surface area, pore size distributions and interface chemistry of the product will be studied, and in turn, the controllable synthesis of activated BN fibers with rational designed microstructures will be achieved. Then the influence of the microstructure and surface modification of the activated BN fibers on their adsorptive desulfurization properties will be deeply studied, and the adsorptive desulfurization mechanism will be established. The expected outcomes of this research will be very important for the development of novel BN-based desulfurization adsorbent of high efficiency.

在环境污染日益严重的今天，对吸附脱硫获取清洁油品的研究具有越来越重要的现实意义。寻找具有大吸附容量、高选择性、易再生的新型脱硫吸附剂是目前科学界和产业界的研究的一个热点。与传统的活性炭吸附剂相比，具有高比表面积和表面反应活性的多孔BN作为脱硫吸附剂的优势在于其优异的化学稳定性以及局域极性可以显著提高吸附材料在使用过程中的稳定性、选择性和再生性。本项目拟设计合成具有高比表面积和高表面反应活性的多孔BN纤维，通过探索合成条件对产物尺寸、比表面积、孔径分布以及表面化学性质的影响规律，实现对不同尺寸活性BN微/纳纤维的可控制备；通过深入研究活性BN纤维的尺寸、微观结构和表面化学修饰对其吸附脱硫性能的影响，掌握活性BN纤维吸附脱硫的基本规律，进而阐明活性BN的吸附脱硫机理，为设计开发出高效实用的BN基新型吸附脱硫材料奠定基础。

目前国内外对改善燃油质量以减少对大气的污染的呼声日益高涨，燃油低硫化、清洁化正成为各国政府的共识，吸附脱硫作为一种绿色、低成本、易操作的脱硫技术受到广泛关注。本项目旨在设计合成具有高比表面积高表面活性的多孔氮化硼（BN）纤维，开发基于多孔BN的新型吸附脱硫材料。主要研究了以硼酸和三聚氰胺为原料，通过高温裂解密胺二硼酸（M•2B）分子晶体前驱体可控合成多孔BN纤维的方法；探索了对多孔BN进行表面功能化的方法及规律；研究了所制备的多孔BN纤维材料对噻吩类含硫化合物的吸附脱除性能，考察了多孔BN纤维直径、微结构、表面活性、孔结构等对其吸附脱硫性能的影响；研究了多孔BN纤维吸附脱硫后的再生回收性能；通过构建理论模型对多孔BN的吸附脱硫进行了理论计算。目前，通过调控前驱体M•2B形核生长过程，实现了对多孔BN纤维直径的调控，制备了直径5-100 nm的多孔BN纳米纤维和直径500 nm-5 μm的多孔BN微米纤维，获得了由多孔BN纤维交叉构筑而成的宏观气凝胶；通过调节前驱体向BN转化的退火温度，实现了对多孔BN显微结构、比表面积、孔径分布的调节，制备了比表面积高达939 m2/g的多孔BN纤维；利用酸处理实现了对高结晶多孔BN纤维的表面活化，并利用醇热法制备了可在磁操纵下快速回收的多孔BN复合吸附材料；吸附脱硫性能研究表明，多孔BN微米纤维对模拟油中二苯并噻吩（DBT）的脱除主要受材料比表面积影响，1100℃煅烧前驱体所制备的多孔BN微米纤维显示出极高的饱和吸附硫容，可达42 mg S g−1。经4次再生循环，饱和吸附硫容仍保持在初始值的~80%。多孔BN纳米纤维最大吸附硫容低于微米纤维，但由于多数孔分布在纤维表面，对低硫浓度（≤100 mg/L）燃油表现出更好的脱硫效果。理论计算表明多孔BN对DBT的吸附主要是物理吸附及部分化学吸附共同作用的结果，DBT和硼空位及氮空位缺陷之间存在一定量的电荷转移，可形成B-S和N-S弱化学键。本项目支持下已发表SCI论文18篇，会议报告8次，申请发明专利6项（2项已授权），培养研究生6名。