双金属Cu-Fe/TiO2纳米光催化剂响应面法优化实现柴油深度快速脱硫

《Next Nanotechnology》：Rapid and deep diesel desulfurization using bimetallic Cu-Fe/TiO 2 nano-photocatalysts optimized by response surface methodology

本研究针对柴油中硫化物引发的环境与工业难题，开发了双金属Cu-Fe/TiO2纳米光催化剂，通过响应面法系统优化其制备参数与光氧化条件，实现了模型柴油中二苯并噻吩的完全转化。该工作为绿色高效燃料脱硫提供了新策略，具有显著的应用潜力。

　　

随着全球环保标准的日益严格，柴油中硫化合物的高效去除成为能源化工领域的重大挑战。传统加氢脱硫技术虽广泛应用，但存在操作条件苛刻、对难降解硫化物（如二苯并噻吩）去除效率低等问题。此外，高温高压过程能耗高，且难以满足超低硫柴油（硫含量＜15 ppm）的现代标准。这些局限性促使科研人员探索绿色、温和的替代技术，其中光催化氧化技术因其可利用太阳能、反应条件温和等优势备受关注。

在这项发表于《Next Nanotechnology》的研究中，马来西亚国油科技大学的研究团队设计了一种双金属Cu-Fe/TiO₂纳米光催化剂，并通过响应面法系统优化其制备与光氧化参数，实现了模型柴油中二苯并噻吩的高效降解。研究旨在解决传统脱硫技术的能耗高、效率低问题，为清洁燃料生产提供新思路。

研究采用湿法浸渍法制备Cu-Fe/TiO₂催化剂，并通过中央复合设计优化了四个制备参数（煅烧温度、煅烧时间、Cu:Fe质量比、金属负载量）和两个光氧化参数（H₂O₂:S_DBT摩尔比、催化剂剂量）。光氧化实验在可见光下进行，采用GC-SCD（气相色谱-硫化学发光检测器）分析硫转化效率。

3.1.1 光催化剂制备参数优化

通过响应面模型分析，Cu:Fe质量比和金属负载量对二苯并噻吩转化率影响最为显著。优化条件下（Cu:Fe=0.91、金属负载量2.0 wt%、煅烧温度502°C、煅烧时间1.02 h），模型预测转化率达99.05%，实验验证为100%。

3.1.2 光氧化参数优化

H₂O₂:S_DBT摩尔比和催化剂剂量共同影响氧化效率。在摩尔比为4、催化剂剂量1.04 g·L^?1时，二苯并噻吩完全转化。过量H₂O₂可能导致自由基猝灭，反而不利于反应。

3.1.3 光催化氧化机制

研究提出Cu-Fe/TiO₂的光催化机制涉及可见光激发产生的电子-空穴对，其中Fe掺杂窄化TiO₂带隙，Cu的表面等离子体共振增强光吸收。空穴直接氧化H₂O₂生成·OH自由基，电子还原O₂生成超氧自由基，共同促进二苯并噻吩转化为极性更强的磺氧化物和砜，随后被低共熔离子液体萃取分离。

本研究通过响应面法精准优化了Cu-Fe/TiO₂催化剂的制备与光氧化条件，实现了柴油模型硫的完全去除。双金属协同效应显著提升光催化活性，为绿色脱硫技术开发提供了理论依据与实践路径。未来工作可进一步探索催化剂在实际柴油中的稳定性、pH影响及动力学机制，推动其工业化应用。