新知 | 用光催化剂直接分解硫化氢，炼油副产品可高效低成本制氢
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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
撰文 | 王智镝
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第426篇原创
硫化氢（H2S）在标准状况下是一种易燃的酸性气体，无色，低浓度时有臭鸡蛋气味，浓度极低时便有硫磺味。
在环境空气中浓度低至20 ppm时，硫化氢会对人类造成不可逆转的有害影响，美国环境保护局将其列为了极度危险的物质。
虽然非常危险，但硫化氢是石油和天然气加工厂以及石油化工业中加氢脱硫过程的一个关键副产品，也是全球硫磺的主要来源之一。加氢脱硫过程能够增加产品中的氢含量以减少石油中的硫含量，减少使用这些产品对环境的影响，并防止处理石油的重整装置被污染。
根据美国国家排放清单报告，美国每年的硫化氢排放量高达9800吨。因此，分解硫化氢能够有效地减少硫的排放，同时也能获得高价值的产品——氢。
近日，来自美国莱斯大学和普林斯顿大学科学家借助金纳米颗粒，仅需一个步骤，就将石化炼油厂产生的臭气熏天的副产品硫化氢转化成了氢气。新工艺效率高且成本低廉，在节能环保的同时还有望促进氢经济的发展。
该研究已发表于美国化学学会高影响力期刊《ACS能源快报》（ACS Energy Letters）上。
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从硫化氢到氢
传统上硫化氢的分解技术是两步克劳斯法，这是一种能源密集型的热催化分解方法。H2S首先在温度大于1100 K（约726.85摄氏度）的燃烧室中，在空气环境下部分氧化为SO2（热阶段），然后H2S与SO2进行催化反应（克劳斯反应），生成S2和H2O。生成的S2可以进一步聚合或转化为其他更稳定形式的硫。
但是，硫化氢其实能够直接分解为氢气和硫（2H2S→ 2H2+S2）。这是一种尚未被开发的分解途径，能够避免克劳斯法中巨大能量消耗带来的高成本，同时在硫的回收过程中能够获得纯净的氢。
直接分解的方法可用于从其他非石油化工行业含硫化氢资源（如化学和动物排泄物以及下水道气体）生产氢气，产生的氢气也可以反馈回加氢脱硫反应，形成闭环以减少对外部氢气供应的需要。
经过加氢处理后，剩余的硫被还原为硫酸或副产品硫。硫是通过加氢处理从燃料中去除的主要元素，此外还有其他一些不需要的元素，如不饱和烃和氮等。
然而，硫化氢的直接分解是一个高度吸热的过程，在低于1000K的温度下热力学转化有限。除了直接硫化氢分解的热催化之外，已经尝试使用电催化、光催化、等离子体诱导和微波辅助多种方法在较温和的温度下实现更快的反应速率，但由于能源或催化剂的原因，扩大规模仍然是直接分解硫化氢所面临的主要挑战。
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新型催化剂助力直接分解
为了解决上述问题，莱斯大学的研究人员使用二氧化硅（SiO2）负载的金（Au）纳米颗粒作为等离子体的光催化剂，可以在只有光照的情况下高效地将硫化氢直接分解为氢气和硫。
研究人员在二氧化硅粉末颗粒表面点缀了一些金“岛”，每个金“岛”都是一个直径约百亿分之一米的金纳米颗粒，它会与特定波长的可见光发生强烈的相互作用。这些等离子体反应会产生“热载流子”，一种可以驱动催化的“短命”高能电子。
图说：金纳米颗粒催化剂的示意图
来源：[1]
在该研究中，研究人员借助一组LED灯，就产生了热载体光催化。研究人员用光直接照射金纳米颗粒，使其表面温度升高高达500℃，与在类似表面温度下的热催化相比，反应性增加了20倍，有效地将硫化氢气体直接转化成氢气和硫。
这种基于光的直接分解反应为改进脱硫工艺和开发可持续硫化学和制氢的多相方法提供了前所未有的机会。仅使用可见光，而不使用外部加热，以驱动硫化氢分解过程，使可再生太阳能或高效固态照明系统（例如LED）在未来能够相对直接地扩大规模。
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经济性和发展
在过去十年中，可再生电力成本的持续下降以及LED技术效率的不断提高，也使得廉价的可再生光子成为可能，允许未来通过光催化和光化学方法可持续生产增值化学品和燃料。
“硫化氢排放可能导致工业巨额罚款，并且修复也非常昂贵。”纳米光子学先驱Naomi Halas说。他的实验室花了数年时间开发商业上可行的光激活纳米催化剂。他认为，修复过程最终可能会具有足够低的实施成本和足够高的效率，从而成为清理下水道气体和动物粪便等非工业硫化氢的经济来源。
但是，虽然这种方法实际上可以减少碳排放，因为它在提炼过程中避免了大量的能源使用，但所产生的氢气似乎不太可能满足“绿氢”分类的标准，因为它依旧来自化石燃料。
该研究得到了韦尔奇基金会（C-1220，C-1222），空军科学研究办公室（FA9550-15-1-0022）和国防威胁减少局（HDTRA 1-16-1-0042）的支持。
注：首图来源于baike.sogou.com
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