我所開發出離場電催化全分解硫化氫制氫和硫磺新技術

近日，我所催化基礎國家重點實驗室、太陽能研究部（DNL1600組群）李燦院士團隊開發了離場電催化新技術，在室溫、常壓下實現硫化氫全分解制氫和硫磺，有望替代工業現行的克勞斯技術，實現天然氣開采、煉油行業和煤化工過程中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。

硫化氫是一種劇毒化合物，又是一種重要的資源，通常伴生或副產于天然氣開采、煉油行業和煤化工過程。據不完全統計，我國每年的硫化氫產量約為80億立方米，全球范圍每年產量約為700億立方米。硫化氫消除并資源化利用是天然氣開采、煉油行業、煤化工等工業中長期面臨的課題，是具有百年歷史的重要研究課題。現行的高溫氧化克勞斯工藝通過將硫化氫氧化成硫磺和水而消除，但該過程排放大量的含硫化合物尾氣，常常需要進一步二次處理，甚至經過多步克勞斯過程，以期完全消除含硫污染物。另外，克勞斯工藝只可獲得硫磺，氫資源轉化為水而造成了資源損失。

李燦團隊早在2003年就開始致力于采用非常規技術進行硫化氫分解反應的研究，先后采用光催化（J. Catal.，2008；Chi. J. Catal.，2008）、電催化（Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2018）、光電催化（ACS Catal.，2016；ACS Energy Lett.，2020）等技術探索了硫化氫分解制氫和硫磺，原理上驗證了光電催化技術路線的可行性。

在前期工作的基礎上，本工作中團隊解決了規模化分解硫化氫工程放大問題，通過電子介導對驅動，將化學反應和電極表面的電荷交換反應解耦，并利用現代化工反應器工程，將氧化反應（硫磺生成）和還原反應（放氫過程）轉移并離開電極，開發了離場電催化技術，在電化學池外部連結釜式反應器和懸浮床/固定床反應器上，分別實現硫化氫分解制硫磺和放氫反應，同時電化學池進行電子介導對的再生。目前，團隊已經完成了實驗室100升硫化氫/天的小試規模的技術驗證和長周期運行實驗，硫化氫轉化率可大于99.9999%，含硫污染物排放低于1ppm (百萬分之一)，氫氣純度達到99.999%以上。該離場電催化反應工藝解決了電化學技術放大的工程難題。該項技術已申請了17項專利，7項授權，形成了具有我國自主知識產權的原創性技術，組成了系列專利技術。該技術具有可觀的應用前景，目前天然氣開采、石油煉制、煤化工領域的多家企業正在籌劃該技術的轉化落地。

相關工作以“Hydrogen sulfide splitting into hydrogen and sulfur through an off-field electrocatalysis”為題，于近日發表在Environmental Science & Technology上。審稿人認為“The off-field electrocatalysis technology presented therein represents a significant advancement in the field of H2S splitting into H2 and sulfur, offering a promising and innovative approach to compete with the current Clause technology（該工作介紹的離場電催化技術是硫化氫全分解制氫和硫磺領域的重大進展，提供了一種可與當前克勞斯技術競爭的有前景、原創性的新路徑）”，以及“This strategy absolutely prevents the pollution of sulfur/sulfide from the anode, membrane, and cathodic electrolyte（該策略徹底地解決了硫磺/硫化物對陽極、膜和陰極電解質的污染）”。該工作的共同第一作者是DNL1600組群博士研究生王子衿和博士后王慶楠博士，前期工作也得到DNL1600組群博士后馬偉光博士的支持。上述工作得到了國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心等項目和企業的支持。（文/圖 王慶楠、王子衿）

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c00312

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