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Enhancing Kinetics of Carbonyl Sulfide Hydrolysis Using Pt-Supported Al2O3 Catalysts: First-Principles-Informed Energetic Span Analysis

催化作用 硫黄 化学 水解 硫化物 石油化工 解吸 活化能 动力学 无机化学 物理化学 有机化学 吸附 物理 量子力学
作者
Anis Usmani,Bunrat Tharat,Athis Watwiangkham,Nurak Grisdanurak,Suwit Suthirakun
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (19): 9002-9012 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c00738
摘要

Catalytic hydrolysis is considered an effective strategy for treating carbonyl sulfide (COS)─a toxic sulfur-containing gas that causes problems to the environment and petrochemical industries. Al2O3-based materials are commonly used as catalysts for COS hydrolysis owing to their stability and cost effectiveness. However, they still suffer from sulfur poisoning leading to partial COS conversion after long time use. To improve their catalytic performances, herein, we computationally designed and studied the catalytic activity of the Pt-supported Al2O3 catalysts by means of density functional calculations. We mechanistically explored the COS hydrolysis on both bare and Pt-decorated surfaces to reveal the role of Pt catalysts in the reaction kinetics. We find that bare Al2O3 suffers from difficult C–S bond breaking as its barrier is relatively high. Pt facilitates C–S bond breaking where its barrier is reduced by more than half (1.34 to 0.60 eV). However, the Pt–Al2O3 catalyst could encounter sulfur poisoning as the sulfur-containing intermediates are rather stable. Such issues could be remedied by increasing the operating temperature to destabilize the intermediates and promote product desorption. The energetic span models reveal that the important states of bare and Pt–Al2O3 are indeed C–S bond breaking and product desorption corresponding to an energy span of 2.72 and 1.67 eV at 773 K, respectively─suggesting that Pt dramatically enhances the catalytic activity of Al2O3-based catalysts toward COS hydrolysis. The suggested operating temperatures are above 673 K to avoid sulfur poisoning. Our findings will be useful for the development of more efficient Al2O3-based catalysts for treating COS.
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