Инженеры и ученые из Университета Райса разработали новый метод превращения ядовитого сероводорода в источник энергии. Он был опубликован 30 сентября 2022г. в ACS Energy Lett.
Плазмонные металлические наноструктуры вызывают быстро растущий интерес в качестве гетерогенных фотокатализаторов, облегчающих активацию химических связей и преодолевающих высокие энергетические потребности традиционного термического катализа. Здесь мы сообщаем о высокоэффективном плазмонном фотокатализе прямого разложения сероводорода на водород и серу, альтернативном промышленному процессу Клауса. При освещении видимым светом и без внешнего источника тепла можно наблюдать до 20-кратного повышения реакционной способности по сравнению с термокатализом. Существенно повышенная реакционная способность может быть связана с плазмонно-опосредованными горячими переносчиками (HCs), которые изменяют энергетику реакции. При смещении определяющей скорость стадии реакции становится возможным новый путь реакции с более низким кажущимся барьером реакции.
Тысячи тонн ядовитого газа ежегодно производятся как побочный продукт процессов удаления серы из нефти, природного газа, угля и других продуктов. Он часто исходит из канализации, складов и свалок, но особенно проблематичен для нефтеперерабатывающих заводов, нефтехимических заводов и других отраслей промышленности. Теперь инженеры Университета Райс разработали одноэтапный метод, который использует наночастицы золота для преобразования сероводорода в востребованный газообразный водород и серу. Данный процесс получает всю свою энергию от света.
«Выбросы сероводорода могут привести к огромным штрафам для промышленности, и его конверсия также стоит много денег», — говорит Халас, пионер нанофотоники, чья лаборатория потратила годы на разработку коммерчески жизнеспособных нанокатализаторов, активируемых светом. «Внедрение плазмонного фотокатализа должно быть намного дешевле, чем традиционная методика, и у него есть дополнительный потенциал превращения дорогостоящего бремени во все более ценный товар».
В своем исследовании команда ученых покрыла поверхность зерен порошка диоксида кремния крошечными островками золота. Каждый островок представляет собой наночастицу золота диаметром около 10 миллиардных долей метра, которая взаимодействовует с определенной длиной волны видимого света. Эти плазмонные реакции создают «горячие носители», короткоживущие высокоэнергетические электроны, которые могут запускать катализ.
Для своего исследования Халас и его команда использовали лабораторную установку и показали, что группа светодеоидных ламп может производить фотокатализ на горячем носителе и эффективно преобразовывать сероводород в водород и серу. Это может быть многообещающей альтернативой промышленному процессу Клауса, производящему серу, но не водород, который вместо этого превращается в воду. Кроме того, процесс Клауса требует нескольких этапов, для некоторых из которых требовуются камеры сгорания, нагретые примерно до 1500 градусов по Фаренгейту.
Халас сказал, что технология плазмонной очистки от сероводорода может иметь достаточно низкие затраты на внедрение и достаточно высокую эффективность, чтобы стать экономичной для очистки непромышленного сероводорода из таких источников, как канализационный газ и отходы животноводства.
«Учитывая, что для этого требуется только видимый свет и не требуется никакого внешнего нагрева, процесс должен быть относительно простым для масштабирования с использованием возобновляемой солнечной энергии или высокоэффективного твердотельного светодиодного освещения».
Текст и Фото:
2) ACS Publications https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.2c01755
3) InceptiveMind https://www.inceptivemind.com/light-powered-catalyst-makes-hydrogen-energy-pungent-gas/28061/