近日，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队研发成功了电子介导对驱动的离场电催化技术，在电催化全分解硫化氢制氢和硫磺研究中取得重要进展，在室温、常压下实现硫化氢完全分解，有望替代工业现行的克劳斯技术，实现天然气开采、炼油行业和煤化工过程中硫化氢的消除和资源化利用，并成为低成本制绿氢的一个新路径。
硫化氢资源化利用
我国氢能产业发展态势良好，已经成为了战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。硫化氢是一种有毒、有害物质，又是含氢和硫的重要资源，主要伴生或副产于天然气开采、炼油行业和煤化工过程。据不完全统计，我国每年的硫化氢处理量至80亿立方米，潜在的待处理量超过100亿立方米，全球范围每年处理量超过700亿立方米。硫化氢如何消除并资源化利用是天然气开采、炼油行业、煤化工等工业中长期面临的难题，也是具有百年历史的重要研究难题。
现行的克劳斯工艺通过将硫化氢氧化生成硫磺和水而消除。一次克劳斯处理的尾气中有大量的含硫污染物，需要进行二次处理，即使经过多级克劳斯反应过程，含硫污染物也不能被完全消除，其排放危害环境。工业现行的克劳斯过程只回收了硫化氢中的硫磺，其氢元素被转化为水而损失。工业上也在使用LO-CAT脱硫技术，采用液相氧化工艺，回收硫磺，同样氢元素以水的形式排放。人们曾尝试高温热分解硫化氢制氢气和硫磺，由于该反应受制于热力学和动力学限制，采用传统热分解的硫化氢转化率很低，能耗高。
离场电催化的发展
由于常规热催化不能实现硫化氢完全消除并将氢元素转化为氢气，因此需要引入非常规技术手段。研究团队早在2003年就开始致力于采用非常规技术进行硫化氢分解反应的研究，先后采用光催化、电催化、光电催化等技术探索硫化氢分解制氢和硫磺，原理上验证了光电催化路线的可行性。但实现硫化氢分解制氢和硫磺反应的规模化、连续化等工程方面存在很大困难。
研究团队经过在电催化领域的多年深耕，研发成功了电子介导对驱动的离场电催化技术，解决了规模化分解硫化氢制氢和硫磺的工程放大问题。上述创新技术的核心是采用电子介导对将化学反应和电极表面的电荷交换反应解耦。研究团队利用现代化工反应器，将氧化反应（硫磺生成）和还原反应（放氢过程）移离电极，在电化学池外部连结釜式反应器和悬浮床/固定床反应器分别实现硫化氢氧化制硫磺和放氢反应，而电化学池内部进行电子介导对的再生。研究团队已经进行了实验室100升硫化氢/天的小规模试验，完成技术验证和长周期运行考验。结果显示，硫化氢转化率可大于99.9999%，氢气纯度不低于99.999%。研究团队共申请了17项专利，7项已授权，拥有完整的技术专利包，形成了具有我国自主知识产权的原创性技术。李灿将上述硫化氢全分解制氢和硫磺工艺命名为电子介导对驱动的离场电催化技术。
电子介导对驱动的离场电催化全分解硫化氢制氢和硫磺
绿氢路线助力双碳目标
离场电催化技术解决了传统电催化规模化放大的难题，拓展了其应用范围，具有重大应用前景。2023年，我国采用克劳斯工艺消除的硫化氢至80亿立方米，若采用绿电供应的离场电催化技术处理，则可在完全消除硫化氢的同时，回收73万吨绿氢，产生巨大的经济效益。如果全面采用离场电催化全分解硫化氢制氢替代传统煤制氢，则减排二氧化碳高达1460万吨，对相关企业实现双碳目标将做出巨大贡献，产生显著的社会效益和生态环境效益。
将电解硫化氢制氢和电解水制氢两种技术进行对比，基于热力学自由能，电解硫化氢制氢的能耗大约是电解水的1/7，目前离场电催化技术将电解能耗降到电解水的大约1/2，随着技术的升级，会进一步降低电耗，推动氢能产业的低能耗、高质量发展。在硫化氢资源丰富地区，完全可以用离场电催化技术制氢。
当前，李灿团队已经和煤化工、石油化工和天然气开采相关企业合作，正在开展硫化氢完全分解制氢和硫磺项目的工业试验。该技术是石化领域、能源化工采用的变革性电催化脱硫技术，实现硫化氢的完全消除，同时规模化生产绿氢，发展成为一种低成本生产绿氢的新路径。
【责任编辑：李扬子 】
