太原理工大学冯宇教授&福州大学赖跃坤教授Angew (VIP):氧化锌/纳米纤维气凝胶煤气脱硫净化材料研发与性能研究

煤炭作为我国“压舱石”能源，其主体地位短时间内难以改变。为了更好地实现双碳目标，煤炭清洁高效利用是关键。而煤气化又是其中必不可少的步骤，煤炭中的硫元素在此过程中的主要存在形式之一就是气态H₂S，这对下游设备、催化剂、生态环境和人体健康产生危害。因此H₂S的高效脱除至关重要。

近日，太原理工大学冯宇教授&福州大学赖跃坤教授团队在期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，发表了最新“Very Important Paper (VIP)”研究成果“Synergistic Tuning of Structure and Active Phases in Zn–Mn Loaded Carbon Nanofiber Aerogel for High–Efficiency Desulfurization”。研究者通过静电纺丝、高速均质、冷冻干燥、碳化以及水热工艺，制备出以密度低、纤维间空隙结构发达、三维交联碳纳米纤维气凝胶（CAs）为载体，金属氧化物为活性组分的高温煤气脱硫剂，提出气相传质和离子协同强化新策略。

碳纳米纤维膜（CNs）可直接通过静电纺丝和碳化技术获得，但是其纤维之间紧密堆叠相比，气体扩散阻力较大。而CAs具备优异的传质效率，其气体透过性增大27倍。这不仅有利于H₂S扩散与活性组分充分接触，也增大了后续水热过程中溶液与碳纳米纤维的接触面积，提高反应程度，活性组分负载量提高2.9倍。因此，吸附剂的硫容和活性组分利用率同步提升。

图1：金属氧化物/纳米纤维气凝胶脱硫剂制备及气相传质强化策略。

吸附剂具备优异的气相传质特性后，其碳纳米纤维表面活性组分的赋存状态对于促进氧-硫离子的置换效率同样重要，而这是突破性吸附剂性能瓶颈的关键科学问题。虽然利用简单氧化还原反应直接实现锰氧化物在碳纳米纤维表面的均匀负载，但是其存在形式为聚集体。因此为了进一步促进H₂S与反应位点接触，以及缩短氧-硫离子扩散路径，提高活性组分组分利用率，通过水热反应中锰氧化物对锌离子的吸附过程，实现高含量ZnO在碳纳米纤维表面的高度分散。

图2：活性组分赋存状态调控及离子扩散强化策略。

脱硫反应的本质是气固非催化反应，气体扩散、表面反应以及离子扩散是其重要控制步骤。在调控活性组分的赋存状态时，不同活性相所占比例的变化，一方面会改变活性组分的分散程度，另一方面也会影响材料表面的反应活性。活性组分表面反应活性为：MnO ＞ ZnMn₂O₄ ＞ ZnO（团队前期工作测得活化能为2.50 eV），通过与性能关联，发现这并不直接决定活性组分的实际利用率；而ZnO高度分散结构改善了离子扩散效率，显著提升利用率。因此，当气体扩散较快时，相对于表面反应活性，活性组分利用率主要受其分散程度控制。

图3：金属氧化物脱硫反应机制及动态演变。

此外，本研究为高温H₂S脱除开辟了一种全新的材料设计思路，弥补了负载金属氧化物的纳米纤维气凝胶在高温脱硫领域的研究空白。当前，纳米纤维气凝胶的制备技术日趋成熟，展现出良好的规模化应用前景。这类气凝胶吸附剂在高温条件下不仅能维持结构稳定，而且具备低压降特性，可满足工业高温煤气净化对温度与压力的严格需求。基于以上优势，该成果有望成为下一代高温干法煤气脱硫技术的核心材料，或为其发展提供关键性参考。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.8536023

冯宇，太原理工大学教授，博士生导师。围绕“煤炭清洁高效利用”，开展煤转化过程污染物控制及煤基碳材料研发工作，致力为能源转型与“双碳”目标实现提供理论和技术支撑，主持国家自然科学基金面上项目及青年基金、中国博士后基金特别资助项目（站中）、山西省优秀青年基金等项目。发表学术论文60余篇，授权10余项国家和国际发明专利，专利转化30余万元。获评山西省优秀硕士论文指导教师，入选中国科协“青年人才托举工程”、兼任山西省化工学会青年工作委员会副秘书长、《洁净煤技术》《低碳化学与化工》《煤炭转化》青年编委。

赖跃坤，福州大学教授、博士生导师。国家科技创新领军人才、英国皇家化学会会士（FRSC），德国洪堡学者，入选福建省“杰出青年”基金及“百人计划”。连续六年入选科睿唯安“全球高被引科学家”（材料、交叉学科）；入选爱思唯尔“中国高被引学者”（化学工程与技术）；入选ScholarGPS“全球前0.05%顶尖科学家”及全球前2%顶尖科学家双榜单。长期从事表界面科学与工程研究，聚焦仿生特殊浸润性界面材料，多相分离与过滤纯化，环境与能源催化以及柔性传感材料与器件。在国内外知名期刊发表SCI论文300余篇，总引用31000余次，h-index为99；获授权发明专利30余项（含美国专利）。成果在化工、环境、能源及柔性电子等领域具有重要学术影响与应用前景。