钾掺杂LaAlO3催化剂A位调控：表面碱性及氧物种组成对有机硫高效水解的机制研究

针对羰基硫(COS)水解过程中H2S选择性低、催化剂易失活等难题，研究人员通过钾(K)掺杂改性LaAlO3钙钛矿A位，显著提升表面弱碱性位点和O2-含量，实现100°C下COS近完全转化，并通过DFT计算揭示了Eley-Rideal(E-R)机制主导的水解路径，为工业废气净化提供了高效稳定的环境催化解决方案。

　　

在钢铁工业的轰鸣声中，一种名为羰基硫(COS)的隐形"环境杀手"正悄然威胁着生产安全——这种存在于高炉煤气(BFG)中的有机硫化合物，不仅会腐蚀设备、毒化催化剂，更会通过形成硫酸盐气溶胶加剧大气污染。尽管催化水解技术(COS + H₂O → H₂S + CO₂)被视为最具前景的解决方案，但现有γ-Al₂O₃基催化剂普遍面临H₂S选择性差、碱金属活性位易失活等瓶颈。东南大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了具有优异氧迁移率和结构可调性的钙钛矿材料，相关成果发表在《Journal of Cleaner Production》上。

研究团队采用溶胶-凝胶法制备LaAlO₃基催化剂，通过XRD、XPS等技术表征晶体结构，结合CO₂-TPD分析表面碱性位点，并运用DFT计算模拟COS/H₂O吸附能。在固定床反应器中测试催化性能后，采用原位DRIFTS追踪反应中间体，最终通过加速老化实验评估稳定性。

结构表征揭示掺杂效应

XRD显示K掺杂量≤0.3时可保持纯相钙钛矿结构，La_0.8K_0.2AlO₃晶胞体积膨胀0.8%。XPS证实K引入使表面O₂^-含量提升42%，CO₂-TPD表明弱碱性位点增加至未掺杂样的2.3倍。

性能突破与机制解析

原始LaAlO₃在100°C时COS转化率仅37%，而La_0.8K_0.2AlO₃实现98%转化率且H₂S选择性达95%。DFT计算显示K掺杂使COS吸附能从-0.78eV增强至-1.25eV，H₂O解离能垒降低36%。原位DRIFTS捕获到关键中间体HSCO₂^-，证实反应遵循E-R机制：H₂O先解离为表面-OH，再气态COS直接攻击形成HSCO₂^-后分解。

稳定性与工业价值

在空速20000h^-1的严苛条件下，改性催化剂连续运行120小时未失活。经济核算显示其原料成本较贵金属催化剂降低85%，且制备工艺与现有工业设备兼容。

这项研究不仅阐明了A位碱金属掺杂对表面氧物种和碱性位的协同调控机制，更开创性地将钙钛矿催化剂应用于低温COS水解领域。其所揭示的"碱性位点促进H₂O解离-氧空位活化COS"的双功能作用模型，为设计新一代环境催化材料提供了普适性策略。随着我国"双碳"战略推进，这种兼具高效性、稳定性和经济性的解决方案，有望在钢铁、化工等行业的废气深度净化中发挥关键作用。