镍基类水滑石纳米片与有机硫化物的相互作用机制研究

作     者：赵辉建 

作者单位：安徽理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何杰

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：层状双金属氢氧化物 纳米片 乙硫醇 吸附脱硫 DFT计算 吸附机制 

摘      要：在全球“双碳背景下,我国于2020年9月提出“碳达峰和“碳中和的战略目标。为实现这一目标需要大力发展可再生能源。但化石能源作为长期以来的支柱性能源向可再生能源的转变将存在一段很长时间的过渡期。天然气作为排放二氧化碳最少的化石能源,在这一形势下将发挥重要的作用。但是天然气中含有一些硫化物,这在天然气的使用中造成了一系列的污染。因此,除去其中的硫化物对天然气的清洁利用与提高其经济价值具有重要意义。本文采用共沉淀法制备了Ni-Ti层状双金属氢氧化物(Ni-Ti-LDH)和Ni-Al双层状双金属氢氧化物(Ni-Al-LDH),后经甲酰胺剥离制备了Ni-Ti双金属氢氧化物纳米片(Ni-Ti-LDH-NS)和Ni-Al双金属氢氧化物纳米片(Ni-Al-LDH-NS)。采用X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、激光拉曼光谱(LRS)、电子顺磁共振(EPR)、N吸附-脱附等技术对样品的结构和形貌进行了表征,通过固定床吸附实验评价了样品的吸附性能。使用傅里叶全反射红外光谱(FT-ATR-IR)、X射线光电子能谱(XPS)对吸附前后样品的官能团和表面元素状态变化进行了分析,假设了样品对乙硫醇(Ethyl mercaptan,EM)的吸附机理。最后使用密度泛函理论(DFT)计算模拟了EM在样品上的吸附过程,得出了吸附机理。并探究了不同金属离子对吸附性能的影响,解释了Ni-Ti-LDH-NS和Ni-Al-LDH-NS吸附性能差异的原因。实验结果表明,通过甲酰胺剥离成功制备了Ni-Ti-LDH-NS和Ni-Al-LDH-NS。在Ni-Ti-LDH-NS吸附EM的体系中,Ni-Ti-LDH-NS对EM具有良好的吸附性能,其吸附硫容量达到49.41 mg·g(0.32 mg·m),其吸附效果是Ni-Ti-LDH的2.5倍。表征结果表明吸附主要是发生在材料的外表面,而不是层间区域。DFT计算结果表明,用于平衡纳米片表面电荷的硝酸根对Ni-Ti-LDH/NS整体吸附性能影响不大,而Ni-Ti-LDH/NS吸附主要通过氢键作用和配位作用进行。由于空间位阻的存在,氢键只能以S…H键的形式存在。在Ni-Al-LDH-NS吸附EM的体系中,Ni-Al-LDH-NS对EM表现出优异的吸附分离性能,其吸附硫容为229.95 mg·g(0.86mg·m)。表征结果证实剥片对端羟基影响大于桥羟基。DFT计算结果表明从态密度分析确定S→Ni配位键主要是S的3p轨道和Ni的3d轨道相互作用,S→Al配位键是由S的3p轨道与Al的3s和3p轨道之间的相互作用。同时,比较了Ni-Al-LDH-NS和Ni-Ti-LDH-NS之间的差异,通过DFT计算结果显示,Ni-Al-LDH-NS中S→Ni和S→Al配位键的强度均低于Ni-Ti-LDH-NS中S→Ni和S→Ti配位键,但相差并不大,说明材料的结构特征对吸附性能也产生了较大影响。通过比较单位比表面积的吸附硫容,Ni-Ti-LDH-NS的单位比表面积吸附硫容为0.32 mg·m,而Ni-Al-LDH-NS为0.86 mg·m。表明单位比表面积将会容纳更多Al。Ni-Al-LDH-NS稳定的结构特征将提供更多的Lewis酸位点,从而提高了吸附性能。图[36]表[9]参[130]