形貌调控的氧化铝负载MoS2催化剂：金属簇增强加氢与加氢脱氮性能的机制解析

【编辑推荐】本研究针对工业加氢处理催化剂中MoS2形貌-活性关系争议，通过水热耦合煅烧法精准调控γ-Al2O3载体金属-载体相互作用（MSI），构建了金属簇主导（Mo/γ-Al2O3-HT-3h）与MoS2片层主导（Mo/γ-Al2O3-HT-8h）的模型催化剂。Cs-STEM与CO-FTIR证实金属簇催化剂Mo-edge/S-edge比例提升1.24倍，在保持75%以上Mo4+硫化度的同时，本征加氢活性（TOF=0.20 h?1）与喹啉HDN转化率显著优于片层结构，为形貌控制策略提供新范式。

　　

在能源转型与重油高效利用的背景下，开发高性能加氢处理催化剂成为多相催化领域的关键挑战。传统工业催化剂以γ-氧化铝（γ-Al₂O₃）负载的层状二硫化钼（MoS₂）为主，其活性常通过钴（Co）或镍（Ni）助剂提升。尽管高分辨透射电镜（HRTEM）和密度泛函理论（DFT）研究已建立CoMoS活性相结构模型，但关于MoS₂形貌（尤其是小于2 nm的金属簇与传统片层）对催化性能的贡献仍存在争议。中国石化催化剂有限公司的研究团队在《Fuel》发表的研究，通过创新载体设计策略，首次在相同硫化度条件下分离出形貌效应，揭示了金属簇在加氢（HYD）和喹啉加氢脱氮（HDN）中的独特优势。

研究采用煅烧-水热耦合处理调控γ-Al₂O₃表面羟基数量，结合Mo平衡吸附法量化金属-载体相互作用（MSI）强度，成功制备出形貌可控的模型催化剂。通过像差校正扫描透射电镜（Cs-STEM）和CO傅里叶变换红外光谱（CO-FTIR）表征活性位点分布，结合高压微反装置评估催化性能，系统解析了形貌演化规律与构效关系。

形貌可控催化剂的制备与表征
水热处理后的γ-Al₂O₃-HT载体经XRD验证保持晶相稳定性，N₂吸附-脱附显示其比表面积从252降至198 m²/g，但孔径分布更集中。通过控制硫化时间（3小时vs 8小时），在5% Mo负载量下分别获得金属簇主导（平均尺寸1.7 nm）和片层主导（长度>5 nm）的活性相。X射线光电子能谱（XPS）证实两组催化剂Mo⁴⁺硫化物种占比均超过75%，排除硫化度差异对活性的干扰。

金属簇的活性位点特性
Cs-STEM原子尺度成像结合CO-FTIR定量分析发现，金属簇催化剂的Mo-edge/S-edge比例较片层结构提高1.24倍，暴露出更多不饱和配位位点。程序升温脱附（H₂-TPD）显示其氢吸附容量增加37%，表明金属簇更利于氢分子的解离活化。

催化性能优势机制
在二苯并噻吩加氢脱硫（HDS）和喹啉HDN反应中，金属簇催化剂本征加氢活性（TOF=0.20 h^?1）达到片层结构的1.8倍，喹啉转化率提升42%。动力学分析表明，金属簇通过降低C-N键氢解能垒（DFT计算显示降低0.3 eV）促进HDN路径。

该研究不仅澄清了MoS₂形貌-活性关系的长期争议，更通过载体表面工程与硫化动力学调控，建立了"金属簇优先形成→边缘位点富集→氢活化增强"的催化机制。这种形貌控制策略为设计新一代高效加氢催化剂提供了理论依据，对重油清洁化加工具有重要工业应用价值。