Новый катализатор может превратить вонючий сероводород в дойную корову

Oct 05, 2023

ХЬЮСТОН – (31 октября 2022 г.) – Инженеры и ученые Университета Райса создали для нефтехимических заводов удобный способ превратить вонючий побочный продукт в деньги.

Сероводородный газ имеет неповторимый аромат тухлых яиц. Он часто исходит из канализации, складов и свалок, но особенно проблематичен для нефтеперерабатывающих, нефтехимических заводов и других отраслей промышленности, которые ежегодно производят тысячи тонн вредного газа в качестве побочного продукта процессов удаления серы из нефти, природного газа, угля. и другие продукты.

В исследовании, опубликованном в влиятельном журнале ACS Energy Letters Американского химического общества, инженер, физик и химик из Райса Наоми Халас и его коллеги описывают метод, в котором используются наночастицы золота для превращения сероводорода в востребованный газообразный водород и серу за один этап. . Более того, одноэтапный процесс получает всю энергию от света. Соавторами исследования являются Питер Нордландер из Райс, Эмили Картер из Принстонского университета и Хоссейн Робатьязи из Syzygy Plasmonics.

«Выбросы сероводорода могут привести к огромным штрафам для промышленности, но восстановление также очень дорого», — сказал Халас, пионер нанофотоники, чья лаборатория потратила годы на разработку коммерчески жизнеспособных светоактивируемых нанокатализаторов. «Фразой «изменение правил игры» злоупотребляют, но в данном случае она применима. Внедрение плазмонного фотокатализа должно быть гораздо дешевле, чем традиционное восстановление, и у него есть дополнительный потенциал превращения дорогостоящего бремени во все более ценный товар».

Каждая молекула сероводорода (H2S) содержит пару атомов водорода и один атом серы. Каждая молекула экологически чистого газообразного водорода (H2) — основного продукта водородной экономики — содержит пару атомов водорода. В новом исследовании команда Халаса усеяла поверхность зерен порошка диоксида кремния крошечными островками золота. Каждый остров представлял собой золотую наночастицу диаметром около 10 миллиардных долей метра, которая сильно взаимодействовала с определенной длиной волны видимого света. Эти плазмонные реакции создают «горячие носители», короткоживущие высокоэнергетические электроны, которые могут управлять катализом.

В своем исследовании Халас и соавторы использовали лабораторную установку и показали, что набор светодиодных ламп может производить фотокатализ горячих носителей и эффективно преобразовывать H2S непосредственно в газ H2 и серу. Это резко контрастирует с устоявшейся каталитической технологией, которую используют нефтеперерабатывающие заводы для расщепления сероводорода. Известный как процесс Клауса, он производит серу, но не водород, который вместо этого преобразуется в воду. Процесс Клауса также требует нескольких стадий, в том числе некоторых, которые требуют, чтобы камеры сгорания были нагреты примерно до 1500 градусов по Фаренгейту.

Технология плазмонного восстановления сероводорода была лицензирована Syzygy Plasmonics, начинающей компанией из Хьюстона с более чем 60 сотрудниками, соучредителями которой являются Халас и Нордландер.

Халас сказал, что процесс восстановления может оказаться достаточно низким по затратам на реализацию и достаточно высокой эффективностью, чтобы стать экономичным для очистки непромышленного сероводорода от таких источников, как канализационный газ и отходы животноводства.

«Учитывая, что для этого требуется только видимый свет и никакого внешнего нагрева, процесс должен быть относительно простым для масштабирования с использованием возобновляемой солнечной энергии или высокоэффективного твердотельного светодиодного освещения», — сказала она.

3 октября компаниям Halas и Nordlander была вручена престижная награда Eni Energy Transition Award 2022 в знак признания их усилий по разработке эффективных катализаторов на основе света для производства водорода в промышленных масштабах.

Халас — профессор электротехники и вычислительной техники Стэнли К. Мура Райса, а также профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, а также материаловедения и наноинженерии. Нордландер — профессор физики и астрономии Райс, профессор электротехники и вычислительной техники, а также материаловедения и наноинженерии. Картер — профессор энергетики и окружающей среды имени Герхарда Р. Андлингера Принстонского университета в Центре энергетики и окружающей среды Андлингера, старший стратегический советник по науке об устойчивом развитии в Принстонской лаборатории физики плазмы, а также профессор механической и аэрокосмической техники, а также прикладной и вычислительной математики. Робатьязи — главный научный сотрудник Syzygy Plasmonics и адъюнкт-профессор химии в Rice.