CexOy/NiOx ピエゾを使用した燃料脱硫のメカニズムと反応速度の研究

Jun 01, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7574 (2023) この記事を引用

542 アクセス

メトリクスの詳細

脱硫技術を進歩させるためには、室温で燃料を優れた酸化脱硫する新しい方法が最も重要になります。 新たな脱硫方法として、酸化剤の添加が不要で室温で脱硫が可能なピエゾ触媒を開発しました。 マイクロ波法を使用して、CeO2/Ce2O3/NiOx ナノ複合材料を調製しました。 モデルおよび実際の燃料の脱硫率は、マイクロ波出力や時間などの合成パラメーター、および pH や超音波出力などの操作条件の関数として調べられました。 結果は、CeO2/Ce2O3/NiOx ナノ複合材料がモデル燃料と実際の燃料の両方で室温で優れた圧電脱硫を実証したことを示しました。 さらに、CeO2/Ce2O3/NiOx ナノ複合材料は優れた再利用性を示し、実際の燃料の脱硫を 17 回繰り返した後でも圧電触媒活性の 79% を維持しました。 硫黄の酸化機構の研究により、スーパーオキシドラジカルとホールが主要な役割を果たしていることが明らかになりました。 さらに、速度論的研究により、ピエゾ触媒による硫黄除去は二次反応速度論モデルに従うことが明らかになりました。

低周波振動エネルギーは環境中のあらゆる場所に存在しており、エネルギー危機と汚染問題を解決する明るい見通しを持っています。 しかし、この低周波エネルギーは有効利用されていません1,2。 低周波振動エネルギーは、圧電エネルギーハーベスティングと圧電触媒という 2 つの方法でエネルギーに変換できます 3、4、5。 圧電触媒作用の結果、機械的振動は、幅広い環境 (水や空気など) の圧電材料の表面で自由電荷に変換されます。 水の局所的な微小電気分解の結果、ピエゾ触媒材料は、・OH、・O2-、・HO2、H2O2 などの多くの活性酸素種 (ROS) を生成する可能性があります。 繊維、化学、製薬、食品産業では、ROS は水中で有毒で発がん性のある染料を触媒的に酸化して分解するために使用されています6、7、8。

この研究の目的は、圧電触媒の新しい用途を提案することです。 私たちは、模型や実際の燃料の脱硫用の圧電触媒として酸化ニッケル/酸化セリウムのナノ複合材料を使用しました。 ピエゾ触媒を使用すると、脱硫プロセスに既存の触媒と比較していくつかの利点があります。 これらは暗所でも動作し、高い脱硫率と低コストを示し、環境中に存在する低周波振動を収集して脱硫反応を促進することができます。

近年、新しいエネルギー戦略が採用されているにもかかわらず、従来の燃料の使用が依然として主流です。 硫黄含有燃料の燃焼の結果、SOx が生成され、酸性雨や微粒子状物質 (PM 2.5)、さらにはエンジンや触媒コンバーターの腐食の原因となります 8、9、10、11。 世界的には、硫黄含有量の低い燃料を制限する厳しい規制が制定されています12、13。 何十年にもわたって産業界で広く使用されてきた水素化脱硫（HDS）を利用することで、工業生産の燃料油から脂肪族硫黄を簡単に除去できます。 立体障害があるため、ジベンゾチオフェン (DBTP) などの芳香族硫黄化合物を燃料から除去することは困難です。 HDS でチオフェン誘導体を除去するには高温と高圧、および大量の水素が必要であり、その結果、操業コストが高くなり、オクタンが損失します 14、15、16、17、18、19、20。 ここでは、酸化剤を一切加えず、機械的な力を加えるだけでモデルと実際の燃料から硫黄化合物を除去する圧電触媒を紹介します。 対照的に、以前の脱硫技術では、H2O221、22、23、24、25、26、27 などの酸化剤を添加する必要がありました。 最近、地球に豊富に存在する金属コアと堅牢なナノ多孔質担体、および混合遷移金属酸化物を備えた単一原子触媒を使用することにより、酸化的脱硫プロセスが改良されました28、29、30。 単一原子触媒または混合遷移金属酸化物を使用した結果、触媒の効率と安定性が向上しました。