Hierarchical Porous N-Doped Carbon Particles Derived from ZIF-8 as Highly Efficient H2S Selective Oxidation Catalysts

催化作用 材料科学 硫黄 碳纤维 化学工程 分子 多孔性 单体 插层(化学) 纳米技术 无机化学 有机化学 聚合物 复合数 化学 复合材料 工程类 冶金
作者
Liang Shan,Xu Liu,Yuheng Zhao,Xiaoxue Sun,Tianxin Wang,Yuefeng Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (18): 23314-23324 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.4c02236
摘要

In the selective oxidation of H2S, the catalytic activity over N-doped carbon-based catalysts is significantly influenced by the accessibility of active sites and the mass transfer rates of reactant molecules (e.g., H2S and O2) as well as generated sulfur monomers. Therefore, it is crucial for enhancing the initial performance via the controlled synthesis of carbon-based catalysts with highly exposed active sites and unique porous structures. Herein, we reported on an efficient strategy to synthesize nanosized N-doped carbon particles with hierarchical porous structures by directly pyrolyzing an oversaturated NaCl-encapsulated ZIF-8 precursor mixture. The introduction of NaCl not only serves as a pollution-free template to promote the formation of graphitic carbon layers but also acts as an intercalating agent to guide the derivation of hierarchical porous structures, as well as enhances the amount of active nitrogen species in the catalysts. As a result, the as-prepared H-NC800 catalyst shows excellent H2S selective oxidation performance (sulfur formation rate is 794 gsulfur·kgcat-1·h-1), good stability (>80 h), and antiwater vapor properties. The characterization results and DFT calculations indicate the crucial role of pyridinic N in the adsorbing and activating reactant molecules (H2S, O2). Furthermore, nanoscale N-doped carbon particles accelerated the rapid transport of generated sulfur monomers under a hierarchical porous structure. This investigation introduces a distinctive strategy for synthesizing ZIF-8-derived N-doped carbon nanosized with a hierarchical porous structure, while its efficient and stable H2S selective oxidation performance highlights significant potential for practical implementation in the industrial desulfurization process.
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