近日, 中國科學院院士, 中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室, 太陽能研究部研究員李燦以及研究員宗旭, 博士馬偉光等人發展電催化技術將天然氣中二氧化碳 (CO 2) 和硫化氫 (H 2S) 資源化轉化的相關研究取得進展. 相關研究成果發表在《德國應用化學》 (Angew. Chem. Int. Ed.) 上.
天然氣的主要成分為甲烷 (CH 4) , 同時伴隨產生CO 2和H 2S等酸性氣體. 這些氣體通常是無用甚至有害的, 對天然氣的開採, 運輸, 加工和使用造成困難. 更為嚴重的是, 一些天然氣田因為高濃度CO 2和H 2S的存在, 直接導致不能開發. 將天然氣中CO 2和H 2S氣體資源化轉化利用不但可以 '變廢為寶' , 而且能夠解決天然氣開採和使用的問題, 是兼具經濟和環境雙重效益的理想策略. 長期以來, 科研人員的主要精力聚焦在使用Claus技術將H 2S催化燃燒為元素硫和水來消除H 2S, 但是將CO 2和H 2S同時資源化轉化的方法鮮有報道.
在該研究中, 該團隊提出並實現了一種光電驅動的將CO 2和H 2S協同轉化為化學品的策略. 該策略以廉價非貴金屬為陰極催化劑 (石墨烯包裹的氧化鋅) 還原CO 2, 以石墨烯為陽極催化劑氧化媒介體EDTA-Fe 2+ (用於氧化H 2S) , 利用化學環反應將H 2S氧化為單質硫磺和質子, 質子和電子被用於CO 2電化學還原生成CO, 淨結果是實現了計量化學反應協同轉化 (H 2S + CO 2 → CO + S + H 2O) . 本工作通過電化學策略實現了CO 2和H 2S協同轉化, 為天然氣中有害氣體的淨化和資源化利用提供了一條兼具經濟和環境效益的綠色途徑.
為解決能源和環境問題, 李燦團隊致力於利用可再生能源資源化轉化CO 2和H 2S的研究. 在CO 2的轉化研究中, 最近發展了鋅鋯雙金屬固溶體氧化物系列催化劑 (Sci Adv., ACS Catal.) , 選擇性地將CO 2分別轉化為甲醇和低碳烯烴. 在H 2S研究中, 曾採用光催化, 光電及光伏-電催化方法 (J. Catal., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Catal.) 實現了H 2S的多途徑定向轉化. 其中, 光催化分解H 2S產氫的量子效率達到93%, 是報道的納米光催化劑在可見光下產氫量子效率的世界紀錄. 在這些基礎之上, 本項研究將CO 2和H 2S同時轉化, 為解決天然氣規模化開採, 運輸和應用提供了新的技術策略.
該研究工作得到了國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金委等項目的資助.
