我所實現電催化高效分解硫化氫制氫

  近日,催化基礎國家重點實驗室鄧德會研究員團隊成功實現電催化高效分解硫化氫制備高純氫氣,為消除硫化氫污染物同時耦合制備綠色氫能源提供了新思路。

  硫化氫是一種在石油化工中廣泛存在的有毒氣體,但同時也是一種潛在的制氫原料。目前工業上采用克勞斯方法處理硫化氫,但只回收得到硫粉,氫組分以水蒸氣的形式被排放,未能得到有效的利用。電催化分解硫化氫是一種溫和高效的方法,可以通過陰極析氫、陽極產硫,同時實現氫氣和硫粉的分離與回收。然而,目前報道的催化劑中,貴金屬價格昂貴,過渡金屬及其氧化物易被反應介質毒化或腐蝕而失去活性,極大地限制了這項技術的發展。所以,亟待開發一種價格低廉、活性優異、耐腐蝕的催化材料,用于高效電催化分解硫化氫制氫。

  鄧德會團隊基于其前期在國際上率先提出的鎧甲催化概念(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 371; Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 7023; Energy Environ. Sci., 2014, 7, 1919;Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2100;Nature Nanotech., 2016, 11, 218;Energy Environ. Sci., 2016, 9, 123;Adv. Mater., 2017, 29, 1606967;Adv. Mater., 2019, 31, 1901996),開發了一種新型的石墨烯殼層封裝鈷鎳納米粒子的鎧甲催化劑。該催化劑在電催化硫化氫體系中,展現出了優異的催化活性和穩定性。優化后的催化劑電解硫化氫制氫所需要的起始電位比電解水制氫低1.24 V。相同電壓下,其電流密度可達貴金屬鉑碳催化劑的兩倍,并遠高于其他貴金屬、金屬氧化物、碳材料等催化材料。此高活性在500 h的穩定性測試中沒有衰減,顯示了該催化劑具有很好的耐腐蝕性。同時,陰極產氫法拉第效率高達98%,實現了氫氣的高效制備。該團隊與青島理工大學關靜副教授合作,結合理論計算發現,該催化劑的優異活性源于金屬內核和石墨烯殼層上的氮原子對石墨烯殼層電子結構的協同調變,促進了多硫化物在石墨表面上的高效生成。

  為了印證該催化劑的可靠性,研究團隊將其應用到工業合成氣中硫化氫雜質(含2%硫化氫)去除并耦合產氫的演示實驗中,在長達1200 h的穩定性測試中,該催化劑依然保持優異的穩定性,進一步證實了鎧甲催化劑在分解硫化氫制氫領域的巨大潛力。此外,在造紙廠、皮革廠等排放的廢水中也存在大量的硫離子污染物,該鎧甲催化劑同時有望為此類廢水中硫離子污染物的電催化去除提供新方法。

  相關研究成果以通訊形式發表于Energy & Environmental Science期刊上。以上研究得到了國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院前沿科學重點研究項目、中科院潔凈能源創新研究院合作基金項目、教育部能源材料化學協同創新中心(2011 iChEM)等的資助。(文/圖 張默、高鶴華)

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