中國(guó)科學(xué)院大連化物所開發(fā)出離場(chǎng)電催化全分解硫化氫制氫和硫磺新技術(shù)

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、太陽能研究部 (DNL1600組群) 李燦院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)了離場(chǎng)電催化新技術(shù)，在室溫、常壓下實(shí)現(xiàn)硫化氫全分解制氫和硫磺，有望替代工業(yè)現(xiàn)行的克勞斯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天然氣開采、煉油行業(yè)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(chǎn)于天然氣開采、煉油行業(yè)和煤化工過程。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的硫化氫產(chǎn)量約為80億立方米，全球范圍每年產(chǎn)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(yè)、煤化工等工業(yè)中長(zhǎng)期面臨的課題，是具有百年歷史的重要研究課題。現(xiàn)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(jìn)一步二次處理，甚至經(jīng)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(zhuǎn)化為水而造成了資源損失。

李燦團(tuán)隊(duì)早在2003年就開始致力于采用非常規(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（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(shù)探索了硫化氫分解制氫和硫磺，原理上驗(yàn)證了光電催化技術(shù)路線的可行性。

在前期工作的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)解決了規(guī)模化分解硫化氫工程放大問題，通過電子介導(dǎo)對(duì)驅(qū)動(dòng)，將化學(xué)反應(yīng)和電極表面的電荷交換反應(yīng)解耦，并利用現(xiàn)代化工反應(yīng)器工程，將氧化反應(yīng)（硫磺生成）和還原反應(yīng)（放氫過程）轉(zhuǎn)移并離開電極，開發(fā)了離場(chǎng)電催化技術(shù)，在電化學(xué)池外部連結(jié)釜式反應(yīng)器和懸浮床/固定床反應(yīng)器上，分別實(shí)現(xiàn)硫化氫分解制硫磺和放氫反應(yīng)，同時(shí)電化學(xué)池進(jìn)行電子介導(dǎo)對(duì)的再生。目前已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室100升硫化氫/天的小試規(guī)模的技術(shù)驗(yàn)證和長(zhǎng)周期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，硫化氫轉(zhuǎn)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(dá)到99.999%以上。該離場(chǎng)電催化反應(yīng)工藝解決了電化學(xué)技術(shù)放大的工程難題。該項(xiàng)技術(shù)已形成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性系列專利技術(shù)。同時(shí)具有可觀的應(yīng)用前景，目前天然氣開采、石油煉制、煤化工領(lǐng)域的多家企業(yè)正在籌劃該技術(shù)的轉(zhuǎn)化落地。

相關(guān)工作以“Hydrogen sulfide splitting into hydrogen and sulfur through an off-field electrocatalysis”為題，于近日發(fā)表在Environmental Science & Technology上。審稿人認(rèn)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(chǎng)電催化技術(shù)是硫化氫全分解制氫和硫磺領(lǐng)域的重大進(jìn)展，提供了一種可與當(dāng)前克勞斯技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的有前景、原創(chuàng)性的新路徑）”，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(duì)陽極、膜和陰極電解質(zhì)的污染）”。