來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第03版 綜合
發(fā)布時(shí)間：2024-05-09
■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 孫丹寧
硫化氫是一種劇毒化合物，但同時(shí)又是一種重要資源，通常伴生或副產(chǎn)于天然氣開(kāi)采、煉油行業(yè)和煤化工過(guò)程。
如何變廢為寶？近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出離場(chǎng)電催化技術(shù)，有望替代工業(yè)現(xiàn)行的克勞斯技術(shù)，不僅能在室溫、常壓下實(shí)現(xiàn)硫化氫全分解制氫和硫磺，還能在天然氣開(kāi)采、煉油行業(yè)和煤化工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)硫化氫的消除和資源化利用，并成為低成本制綠氫的一條新路徑。相關(guān)成果發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》。
審稿人認(rèn)為，離場(chǎng)電催化技術(shù)代表了分解硫化氫制氫和硫磺領(lǐng)域的重大進(jìn)展，提供了一條可與當(dāng)前克勞斯技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的有前景、原創(chuàng)性的新路徑。
“劇毒廢氣”的難題
硫化氫是一種常見(jiàn)化合物，標(biāo)準(zhǔn)狀況下是一種易燃的酸性氣體，無(wú)色，低濃度時(shí)有臭雞蛋氣味，濃度極低時(shí)便有硫磺味，有劇毒。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的硫化氫處理量約為80億立方米，全球每年的硫化氫處理量達(dá)700億立方米。
如何安全、高效地處理這一龐大數(shù)量的劇毒氣體，是天然氣開(kāi)采、煉油行業(yè)、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的難題，也是具有百年歷史的重要研究課題。目前，世界范圍內(nèi)大多采用克勞斯工藝對(duì)工業(yè)中的硫化氫進(jìn)行處理，即通過(guò)將硫化氫氧化成硫磺和水從而實(shí)現(xiàn)消除。
“克勞斯工藝通常需要高溫高壓的反應(yīng)條件，且難以一次完全消除硫化氫，其產(chǎn)生的尾氣仍有大量含硫化合物，排放后仍會(huì)危害環(huán)境，因此還需要進(jìn)行多次處理?！崩顮N介紹說(shuō)，“雖然這一過(guò)程回收了硫磺，但非常寶貴的氫資源卻以水分的形式流失，這在一定程度上造成了資源的損失?！?/p>
這一傳統(tǒng)工藝的不足，激勵(lì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行探索，以期能找到替代克勞斯工藝過(guò)程的新技術(shù)。
離場(chǎng)電催化“登場(chǎng)”
工業(yè)領(lǐng)域另一種處理硫化氫的方式逐步發(fā)展起來(lái)，那就是將硫化氫進(jìn)行分解，并生成氫氣和硫磺。
過(guò)去，人們?cè)鴩L試采用高溫?zé)岱纸獾姆椒ㄌ幚砹蚧瘹洌蚧瘹涞霓D(zhuǎn)化率較低，經(jīng)濟(jì)效益很差。
李燦團(tuán)隊(duì)自2003年起就致力于采用非常規(guī)技術(shù)進(jìn)行硫化氫分解反應(yīng)的研究，先后采用光催化、電催化、光電催化等技術(shù)探索了硫化氫分解制氫和硫磺，在原理上驗(yàn)證了非常規(guī)技術(shù)路線的可行性。
“但在工程方面實(shí)現(xiàn)硫化氫分解反應(yīng)的規(guī)模化、連續(xù)化等仍存在很大挑戰(zhàn)?！崩顮N告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
經(jīng)過(guò)多年深耕，該團(tuán)隊(duì)終于研發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)——電子介導(dǎo)對(duì)驅(qū)動(dòng)的離場(chǎng)電催化。
據(jù)介紹，該技術(shù)利用電子介導(dǎo)對(duì)與硫化氫之間的化學(xué)勢(shì)差，將原本發(fā)生在電極表面的硫化氫氧化生成硫磺的過(guò)程轉(zhuǎn)移到外部反應(yīng)器中進(jìn)行，并采用同樣的策略利用另一電子介導(dǎo)對(duì)的價(jià)態(tài)變化，在電極外的反應(yīng)器中將氫質(zhì)子還原生成氫氣。
通過(guò)這一新策略，可以把硫化氫的化學(xué)轉(zhuǎn)化和電極表面的電荷交換巧妙解耦，這樣氧化反應(yīng)（硫磺生成）和還原反應(yīng)（放氫過(guò)程）可以在電化學(xué)池外的反應(yīng)器中分別獨(dú)立進(jìn)行，推動(dòng)了其工業(yè)過(guò)程的放大。
李燦將這一策略命名為電子介導(dǎo)對(duì)驅(qū)動(dòng)的離場(chǎng)電催化。
大于99.9999%的轉(zhuǎn)化率
研發(fā)團(tuán)隊(duì)同期開(kāi)展了放大實(shí)驗(yàn)，完成了100升硫化氫/天的小規(guī)模技術(shù)驗(yàn)證和長(zhǎng)周期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。采用該技術(shù)，硫化氫轉(zhuǎn)化率大于99.9999%，含硫污染物排放低于1 ppm（百萬(wàn)分之一），氫氣純度不低于99.999%。
這種創(chuàng)新的電子介導(dǎo)對(duì)驅(qū)動(dòng)的離場(chǎng)電催化技術(shù)，能夠在溫和條件下將硫化氫分解為氫氣和硫磺。這不僅避免了傳統(tǒng)克勞斯工藝的問(wèn)題，解決了電化學(xué)技術(shù)放大的工程難題，還實(shí)現(xiàn)了硫化氫的資源化利用，為氫能的開(kāi)發(fā)提供了一條新路徑。
該技術(shù)先后共申請(qǐng)17項(xiàng)專(zhuān)利、7項(xiàng)授權(quán)，組成了完整的專(zhuān)利包，形成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性技術(shù)，具有可觀的應(yīng)用前景和凈經(jīng)濟(jì)效益，天然氣開(kāi)采、石油煉制、煤化工領(lǐng)域的多家企業(yè)正在籌劃將該技術(shù)轉(zhuǎn)化落地。
當(dāng)然，李燦團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)不止于此。目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與相關(guān)企業(yè)達(dá)成合作，開(kāi)展10萬(wàn)立方米/年硫化氫分解制氫和硫磺項(xiàng)目的工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)。這一項(xiàng)目的成功實(shí)施將對(duì)硫化氫處理行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，通過(guò)硫化氫分解制氫推動(dòng)制氫行業(yè)的產(chǎn)能升級(jí)。此外，該項(xiàng)目通過(guò)硫化氫的高效吸收和轉(zhuǎn)化，減少環(huán)境污染，符合日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，為天然氣開(kāi)采、石油煉化和煤炭加工利用等工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展注入新活力。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c00312
以下是該媒體報(bào)道地址：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/5/379476.shtm
