近日，中國科學院大連化學物理研究所李燦院士團隊研發(fā)成功了電子介導對驅動的離場電催化技術，在電催化全分解硫化氫制氫和硫磺研究中取得重大進展，在室溫、常壓下實現了硫化氫完全分解，并進行了反應系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行考驗，有望替代工業(yè)現行的克勞斯工藝，將硫化氫完全消除并資源化利用。
據悉，離場電催化技術解決了傳統(tǒng)電催化規(guī)模化放大的難題，拓展了其應用范圍，具有重大應用前景，將產生顯著的經濟效益和生態(tài)環(huán)境效益。以年產100億立方米，硫化氫含量為15%的天然氣田為例，采用綠電供應的離場電催化技術時，可回收15億立方米高純綠氫，即13.6萬噸綠氫。據不完全統(tǒng)計，2023年，我國采用克勞斯工藝處理硫化氫約80億立方米，若采用離場電催化技術處理，可回收73萬噸綠氫，若替代傳統(tǒng)煤制氫工藝，可實現減排CO2約1400萬噸，對相關企業(yè)實現雙碳目標將做出巨大貢獻。
目前，研究團隊已經和煤化工、石油化工和天然氣開采相關企業(yè)合作，正在推進硫化氫完全分解制氫和硫磺項目的工業(yè)化放大試驗。該技術成為石化領域、能源化工的變革性脫硫技術，有望實現我國硫化氫的全分解，解決環(huán)境污染問題；同時，將硫化氫分解制氫成為一種低成本制綠氫的新路徑。該技術是我國自主研發(fā)的原創(chuàng)性技術。
李燦院士團隊借助光催化水分解制氫氣和氧氣的研究基礎和啟發(fā)，從2003年開始開展了光催化分解硫化氫的研究。理論上，水分解反應的吉布斯自由能DG高達237 kJ/mol (25 °C)，而相同條件下，硫化氫分解反應DG僅為33 kJ/mol，由此可以判斷硫化氫分解制氫和硫磺更易于通過光電催化實現。研究團隊采用CdS光催化劑進行了探索研究，實驗中檢測到氫氣，并用拉曼光譜確認了硫磺的生成，實現了溫和條件下硫化氫全分解。這個結果為常溫、常壓下，采用非常規(guī)技術催化硫化氫分解利用探明了可行的研究方向。但在催化劑循環(huán)利用中發(fā)現，生成硫磺會包裹催化劑顆粒，致使光催化劑失活。隨后其他研究者也進行了這方面研究工作，但光催化分解硫化氫遇到的催化劑失活問題一直未能解決。
后來，研究團隊又嘗試了（光）電催化硫化氫分解的研究，也實現了氫氣和硫磺生成。但發(fā)現陽極表面生成的硫磺會黏附在電極和隔膜上，同時電解液中硫化物離子會擴散至陰極側，造成析氫催化劑失活，因此常規(guī)的（光）電催化也不能滿足硫化氫分解的規(guī)模化應用。隨后，團隊啟動了間接電催化硫化氫分解的研究，采用電子介導對在電化學池外部進行硫化氫氧化生成硫磺和氫離子，過濾去固體硫磺后，電子介導對在電極表面進行電荷交換完成再生，而氫離子在陰極催化劑上放氫。該技術初步解決了硫磺沉積和硫化物中毒問題。在此基礎上，將另一個電子介導對引入到陰極側，得到電子的介導對在電化學池外部進行催化放氫。這樣電化學池陽極和陰極均進行電子交換反應，而將氧化和還原的化學反應移出電極區(qū)，實現了電極表面電荷交換和化學反應的解耦分離。研究團隊優(yōu)選了可以在實際反應過程中應用的電子介導對，進行了實驗室小規(guī)模化試驗，分別進行了硫化氫吸收反應器、析氫催化劑、電化學池等模塊的研究和設計。隨后進行了實驗室100升硫化氫/天的小規(guī)模試驗，并進行了技術驗證和長周期運行。結果表明，硫化氫轉化率可大于99.9999%，氫氣純度不低于99.999%。接著，研究團隊又完成了硫化氫吸收塔式反應器研制、高穩(wěn)定性放氫催化劑規(guī)模化制備、放氫反應器設計、電化學池系統(tǒng)設計和加工等工作。離場電催化反應工藝原理上解決了電化學技術放大的工程難題。目前該技術共申請了17項專利，7項已授權，組成了完整的專利包，形成了具有我國自主知識產權的原創(chuàng)性技術。李燦院士將上述硫化氫全分解制氫和硫磺工藝命名為電子介導對驅動的離場電催化技術。
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