Coffee grounds derived porous nitrogen-rich biochar as a metal-free catalyst for efficient selective oxidation of hydrogen sulfide to sulfur

催化作用 硫黄 生物炭 硫化氢 热解 化学 硫化物 碳纤维 密度泛函理论 化学工程 无机化学 选择性 氮气 工作(物理) 多孔性 活性炭 多相催化 生物量(生态学) 反应机理 分解 酸性气体 双金属片
作者
Fei Zhao,Zibin Pan,Fang Wang,Suo Cui,Rui Cao,Jiayu Feng,Ping Ning,Lijuan Jia
出处
期刊:Biochar [Springer Nature]
卷期号:8 (1)
标识
DOI:10.1007/s42773-025-00541-4
摘要

Abstract The development of metal-free catalysts for efficient selective catalytic oxidation of hydrogen sulfide (H 2 S-SCO) to elemental sulfur represents a sustainable solution for toxic gas purification. Herein, we synthesized a regenerable metal-free catalyst through facile activation and pyrolysis of coffee grounds. The optimized catalyst demonstrated exceptional H 2 S-SCO performance at 180 ℃, achieving > 99% H 2 S conversion with near-perfect sulfur selectivity (~ 100%) while maintaining remarkable stability under humid conditions and high CO 2 concentrations. These superior properties originate from the synergistic effects of elevated nitrogen doping (17.33 at.%), abundant defect edge sites, and hierarchical porosity. Density functional theory (DFT) calculations revealed that carbon atoms adjacent to pyridine-N configurations serve as dual-active sites, facilitating H 2 S adsorption/dissociation and O 2 activation through optimized electron redistribution. A plausible reaction mechanism was established based on experimental and theoretical analyses. This work provides fundamental insights into designing cost-effective, biomass-derived carbon catalysts for industrial gas purification while addressing agricultural waste valorization. Graphical Abstract
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