氮掺杂碳催化剂中缺陷介导活性N位点高效催化H2S转化为单质硫的机制研究

本研究揭示了氮掺杂碳催化剂中缺陷结构对活性N位点的调控作用，为解决H2S污染治理难题提供了新型高效催化材料。研究人员通过精准调控催化剂缺陷密度，实现了H2S转化效率的显著提升，为环境催化领域提供了重要的理论指导和技术支撑。

　　

硫化氢（H₂S）作为典型的有毒气体污染物，广泛存在于石油炼制、天然气加工等工业过程中。传统克劳斯工艺虽能实现H₂S转化，但存在能耗高、催化剂易失活等问题。开发高效稳定的非金属催化剂成为环境催化领域的研究热点，其中氮掺杂碳材料因其可调的电子结构和丰富的活性位点备受关注。然而，氮物种的精确调控及其催化机制仍不明确，严重制约着高性能催化剂的理性设计。

为攻克这一难题，研究人员在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表了突破性研究成果。通过构建系列缺陷程度可调的氮掺杂碳模型催化剂，结合同步辐射X射线吸收谱（XAS）和原位红外光谱（in situ FTIR）等先进表征技术，系统阐明了碳骨架缺陷与吡啶氮（pyridinic N）活性位点的协同作用机制。研究团队特别关注了材料制备过程中热处理温度对sp²碳缺陷形成的影响，以及缺陷介导的氮物种转化规律。

材料设计与表征
通过调控热解温度（600-900℃）制备梯度缺陷样品，X射线光电子能谱（XPS）证实高温处理促使石墨氮向吡啶氮转化。拉曼光谱的I_D/I_G比值定量显示，800℃处理的样品具有最优缺陷密度，其吡啶氮含量达到12.3 at%。

催化性能评价
在固定床反应器中，最优样品表现出98%的H₂S转化率和92%的单质硫选择性，显著优于商业Fe₂O₃催化剂。动力学测试显示表观活化能降低至45 kJ/mol，证实缺陷结构有效促进了反应物活化。

机理研究
密度泛函理论（DFT）计算揭示，五元环缺陷邻近的吡啶氮位点能显著降低H₂S解离能垒（从1.32 eV降至0.87 eV）。原位光谱观测到关键中间体HS*的快速生成，验证了缺陷-氮协同位点对S-H键断裂的促进作用。

该研究首次建立了碳材料缺陷密度与催化活性之间的定量构效关系，提出的"缺陷介导活性位点"新机制为下一代环境催化剂设计提供了重要范式。研究成果不仅解决了H₂S治理中的关键技术瓶颈，其揭示的缺陷工程策略还可拓展应用于其他非金属催化体系，对推动绿色化工发展具有深远意义。