含路易斯对的功能碳材料：将硫化物变废为宝的高效之选

在 H2S 选择性催化氧化（H2S-SCO）中，200~300℃时碳基催化剂因生成 SO2难以应用。研究人员提出亲和 - 温和策略制备 P-NDC 催化剂。该催化剂硫选择性达 96.1%，远超同类催化剂，填补了碳基催化剂在此温度区间应用的空白。

　　在环保与能源转化领域，将有毒的硫化氢（H₂S）转化为有价值的元素硫，一直是科研人员努力攻克的难题。H₂S 选择性催化氧化（H₂S-SCO，H₂S + 1/2O₂ → 1/nS_n + H₂O）技术是实现这一转化的常用手段，它能在处理焦炉气、工业废气等场景中发挥作用，既满足环保要求，又达成能源转换目的。然而，实际应用时却困难重重。这些气体温度常超 200℃，在此条件下，H₂S 或硫容易发生过度氧化，产生二氧化硫（SO₂）副产物，这会降低硫的选择性，影响最终产物的品质与价值 。

为解决这一问题，金属基催化剂曾被寄予厚望。其拥有丰富的路易斯酸（LA）位点，这些位点带有空轨道，能促进对 SO₂中富电子的 S 或 O 原子的吸附，诱导 Claus 反应（2H₂S + SO₂ → 3S + 2H₂O）发生。但长期使用后，人们发现金属基催化剂存在严重缺陷，它会因强烈吸附硫化物（包括 H₂S 和 SO₂）而中毒失活，无法满足长期稳定使用的需求。

此时，碳材料进入了研究人员的视野。作为金属材料的重要补充，碳材料成本低廉且具有出色的耐硫性。其中，氮掺杂碳（NDC）催化剂在 200℃以下表现出与金属基催化剂相当的 H₂S-SCO 性能，这得益于其氮物种能促进 H₂S 和 O₂的吸附。可一旦反应温度超过 200℃，问题又接踵而至，氮物种的促进作用反而加剧了 H₂S 或硫的过度氧化。因此，开发在 200 - 300℃具有高性能的功能碳基催化剂迫在眉睫。

在此背景下，研究人员开展了相关研究。他们提出了一种亲和 - 温和策略，通过该策略在温和条件下制备出氮和磷共掺杂碳（P-NDC）催化剂，并深入揭示了这类先进功能碳材料通用合成的关键因素。研究发现，碳基质中缺电子的 P 原子作为路易斯酸，吡啶氮中的富电子 N 原子作为路易斯碱，二者组成路易斯对（LPs）。这一结构具有神奇的效果，能分别促进 SO₂和 H₂S 的化学吸附。得益于这一改进，P-NDC 催化剂强化了遵循 Langmuir-Hinshelwood 机制的 Claus 反应。在 260℃的 H₂S-SCO 过程中，其硫选择性高达 96.1% ，远超不含 LPs 的碳催化剂（78.8%），甚至超越了已报道的金属基和非金属基催化剂。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为功能碳材料在废转化化学领域的应用开辟了新方向，推动了碳材料优化的进程。

研究人员在开展研究时，采用了多种关键技术方法。首先是材料合成技术，以植酸（PA）作为 P 源，在聚苯胺（PANI）聚合过程中加入 PA，通过一步热解制备 P-NDC 催化剂。其次运用了物理化学表征技术，对制备的催化剂进行结构和性能分析，确定 PA 与 PANI 之间的相互作用以及催化剂表面元素的变化情况。

研究结果如下：

• 材料合成与相互作用：在 PANI 聚合过程中加入 PA，PA 中 H₂PO₄^-羟基上的质子转移到 PANI 的 N 物种上，使得醌型 N 含量降低，氨基 N 出现，带正电的 N 发生正移。这种 PA 与 PANI 之间良好的亲和性，有利于 P 物种的均匀混合和分布。
• 催化性能提升：成功构建的 LPs 位点促进了 SO₂和 H₂S 在 P-NDC 催化剂上的同时化学吸附，强化了 Claus 反应。在 260℃的 H₂S-SCO 过程中，P-NDC 催化剂展现出 96.1% 的高硫选择性，性能优于其他对比催化剂。

研究结论表明，通过亲和 - 温和策略成功制备了全固态、不含金属的 P-NDC 催化剂。研究其形成过程后揭示了该策略的关键因素，这些因素在使用不同前驱体合成 P-NDC 催化剂时具有通用性。P-NDC 碳基质中的吡啶 N 原子和 P 原子分别作为路易斯碱和路易斯酸位点，构成 LPs，实现了 H₂S 和 SO₂的同时化学吸附。该研究意义重大，填补了碳基催化剂在 200 - 300℃ H₂S-SCO 过程应用的空白，展示了 LPs 位点在废转化化学领域的巨大潜力，为后续碳材料的优化设计提供了重要参考，有望推动相关环保和能源转化技术的进一步发展。