光催化分解硫化氢制氢研究获进展

由黑龙江省科学院石油化学研究院完成的 “太阳能光解硫化氢制氢催化剂设计与工艺研究”项目，近日通过了由黑龙江省科技厅组织的专家验收。 硫化氢是一种恶臭、剧毒、具有腐蚀性的酸性气体，是石油炼制、天然气加工和其他化学合成工艺中产生的副产品，全国硫化氢排放可达到800万～1000万吨/年。我国对硫化氢废气的处理多采用Claus工艺，即将硫化氢部分氧化成水和硫磺，其中的氢并没有得到回收利用。氢能是最有希望在未来替代化石类的能源，目前工业用氢气都是由轻烃、煤、天然气及甲醇等通过蒸汽重整或电解水生产的，成本高、价格贵，难以作为燃料被广泛使用。 光催化和光化学硫化氢分解制氢工艺的反应条件缓和，可利用廉价而丰富的太阳能，不仅可实现太阳能的转化利用，而且可以降低生产成本，具有较高的研究价值和应用前景。 黑龙江省科学院石油化学研究院研究员白雪峰指导的课题组，在黑龙江省杰出青年科学基金和国家“863”项目的支持下，针对炼油厂和天然气工业生产过程中存在的环境污染和氢资源浪费等问题，就光催化和光化学分解硫化氢制氢催化剂设计与工艺进行了深入系统的研究。 课题组采用共沉淀法，制备出可控能级的系列CdxZn1-xS固溶态型光催化剂，Cd0.7Zn0.3S光催化制氢速率可达11.1mmol/（g·h）；采用浸渍—焙烧—水热合成法，制备了CdS/S、N-TiO2、CdS/C-TiO2和CdS/N-TiO2复合光催化剂，可见光催化制氢性能高于未掺杂改性的2倍；采用离子交换—沉积法制备的CdS/HY和CdS/Al-MCM-41负载型光催化剂，形成了稳定的、分子尺寸的纳米CdS团簇，可提高电荷分离效率和光催化产氢效率，是单组分CdS的5～6倍。紫外光（特征波长为253.7nm）催化分解硫化氢制氢可产生光化学分解与光催化反应的协同作用，分解产氢速率可达4.04mL/W·h，远高于可见光催化制氢。通过XRD、TG、IR、XPS、SPS、ICP、SEM和TEM等分析手段，对催化剂的结构和光化学性质进行了表征，阐述了提高光催化分解硫化氢制氢效率的机理，对该技术进一步应用提供了依据。