综述：层状过渡金属硫族化合物脱除烟气中单质汞的研究进展

这篇综述系统总结了层状过渡金属硫族化合物（TMCs）在烟气单质汞（Hg0 ）脱除中的研究进展，重点分析了其独特的层状结构、硫活性位点优势及改性策略（如掺杂、复合），探讨了复杂烟气环境下的吸附性能、再生方法及机器学习辅助的反应机制解析，为开发高效汞吸附剂提供了理论指导。

　　

层状过渡金属硫族化合物脱除烟气中单质汞的研究进展

Abstract

汞及其化合物因高毒性和环境持久性对生态与健康构成严重威胁。燃煤烟气作为主要人为汞排放源，其脱汞技术成为研究热点。相比传统金属硫化物吸附剂，层状过渡金属硫族化合物（TMCs）凭借独特的层状结构和丰富硫活性位点展现出卓越性能。本文综述了层状TMCs的结构优势、改性方法、复杂烟气适应性及再生策略，并结合实验与机器学习揭示了其反应机制，为设计高效脱汞材料提供参考。

Introduction

工业革命以来，燃煤和有色金属冶炼烟气中的汞排放问题日益严峻。汞的三种形态中，Hg²⁺
和Hg^p
可通过现有技术脱除，而Hg⁰
因化学惰性难以捕获。层状TMCs（如MoS₂
、WS₂
）具有类石墨烯二维结构，其硫-汞亲和常数（K_a
=10³⁹
）和极低溶度积（如β-HgS为1.6×10^-52
）赋予其高效吸附与抗二次污染能力。

Common transition metal chalcogenide adsorbents

典型层状TMCs包括钼系（MoX_n
）、锌系（ZnX）和铜硒化物（CuSe）等。以MoS₂
为例，其2H、1T和1T'相（图1）通过范德华力堆叠，暴露的硫边缘位点可高效捕获Hg⁰
。相比传统吸附剂，层状结构提供了更大比表面积和可调控的层间距，显著提升传质效率。

Modified layered TMC adsorbents

改性策略聚焦物理化学性质优化：

• 物理改性：通过剥离、插层扩大层间距，如超声辅助制备少层MoS₂
  可使吸附容量提升300%。
• 化学修饰：掺杂过渡金属（Fe、Co）或构建异质结（如MoS₂
  /g-C₃
  N₄
  ）可增强电子转移，促进Hg⁰
  氧化为Hg²⁺
  。

Factors affecting the removal of Hg⁰

实际烟气中，温度与成分显著影响吸附性能：

• 温度窗口：多数TMCs在120-300°C表现最佳，高温下硫位点易烧结。
• 复杂组分：SO₂
  和H₂
  O竞争吸附，而NO可通过形成中间产物促进Hg⁰
  固定。

Recovery and regeneration of adsorbents

再生方法包括热解（400°C下HgS分解）和磁回收（Fe₃
O₄
@MoS₂
），但循环稳定性仍是挑战。

Machine learning and mercury removal mechanisms

结合XPS与机器学习分析，揭示Hg⁰
吸附路径：硫位点化学吸附主导，部分案例中Hg-Se键形成增强结合能。

Conclusion

层状TMCs在脱汞领域潜力巨大，但需解决宽温域适配性、低成本再生及多组分协同机制等关键问题。

Perspectives

未来研究应拓展非钼基TMCs（如SnS₂
）的探索，并开发原位表征技术以揭示动态吸附过程。