太阳能驱动硫化氢全分解制氢研究

Addressing environmental and energy issues with solar energy is an important long-term strategic subject closely related with the energy security and sustainable development of our country. Hydrogen sulfide (H2S) is a toxic chemical that is produced in large qualities from natural gas and oil refinery industry. Splitting H2S to hydrogen and elemental sulfur with solar energy can realize the transformation of negative value waste products to valuable chemicals, representing a dual-functional process with both environmental and energy benefits. In this proposal, we aim to address the fundamental and practical issues related with the solar-driven splitting of H2S process based upon our initial progress on the splitting of H2S with a novel photoelectrochemical-chemical loop pathway. The core of the research is to develop photoelectrode system with high performance, low-cost, long stability, and low external energy consumption. By tuning the physiochemical properties of the photoelectrodes with functionalization, solar energy is anticipated to be efficiently absorbed and transformed by the photochemical process. Moreover, the proposed research will take the actual demand of industry into consideration and aim to couple photoelectrochemical and chemical reactions more efficiently by modifying the reaction processes. With the above effort, the splitting of H2S to H2 and sulfur can proceed efficiently and continually, which will lay a good foundation for the potential practical applications of this strategy.

利用太阳能解决能源和环境问题是事关国家能源安全和可持续发展的重大战略课题。硫化氢（H2S）作为一种有毒化学物质，大量来源于天然气和石油加氢精制工业。利用太阳能将硫化氢全分解制备氢气和单质硫可实现“变废为宝”的绿色化学转化过程，具有能源和环境的双重效益。本研究将以前期在硫化氢光电化学-化学耦合资源化研究中取得的重要进展为基础，深入研究太阳能驱动下硫化氢全分解过程所涉及的基础科学和实用化问题。研究将以发展高性能、低成本、长寿命的光电转化系统为核心研究内容。通过对光电极的功能化修饰，有效调变光电极材料的物化性质，实现太阳能高效吸收和高效转化这一太阳能光电化学转化的核心目标。此外，研究将结合工业的实用化要求，通过对反应工艺的设计实现光电化学-化学反应过程的有效耦合，达到硫化氢高效、连续转化的目的，为该项技术的应用提供重要的技术支撑。

硫化氢(H2S)气体具有高毒性和腐蚀性，大量来源于天然气和石油加氢精制工业。利用太阳能将硫化氢全分解同时制备氢气和单质硫可实现“变废为宝”的绿色化学转化过程，具有能源和环境的双重效益。在本项目中，研究团队基于前期进展，深入研究了太阳能驱动下硫化氢全分解过程所涉及的基础科学和实用化问题，在以下几个方面取得系列研究进展：.（1）设计并构建了钙钛矿电池－电催化反应系统实现高效H2S全分解反应。该系统可实现太阳能—化学能存储效率13.5%，为当时钙钛矿电池太阳能－学能转化系统最高效率；系统完全基于非贵金属材料，成本低廉，且较前期系统具有更高的稳定性及可操作性。.（2）提出并实现了一种光电驱动的将CO2和H2S协同转化为化学品的策略。以廉价非贵金属为阴极催化剂（石墨烯包裹的氧化锌）还原CO2、以石墨烯为阳极催化剂氧化媒介体EDTA-Fe2+（用于氧化H2S），实现了CO2和H2S的协同转化（H2S + CO2 → CO + S + H2O），为天然气中有害气体（CO2和H2S）的净化和资源化利用提供了一条兼具经济和环境效益的绿色途径。.（3）设计并构建光驱动液流电池实现高效H2S全分解反应。以H2S分解反应为目标反应，构建了基于杂多酸和Fe2+/Fe3+两类氧化还原电对的光充电液流电池。在该光充电液流电池中，太阳能可通过太阳能驱动的电化学反应过程储存于两类氧化还原电对中，太阳能到化学能的转化效率高达15.2%；其中充电所得还原态的杂多酸在非贵金属磷化钴等催化剂的催化作用下可还原质子产生氢气；充电所得高氧化态的Fe3+可选择性氧化H2S为单质硫和质子。上述循环反应过程可实现利用太阳能连续、高效分解硫化氢制取氢气和硫磺的反应，这为H2S“变废为宝”的资源化转化及其他化学反应过程提供了一种新的思路。. 此外，本项目基于H2S分解反应在光电极界面调控、新型廉价高效电催化剂开发、光催化系统界面调控等多个方面的基础研究取得系列进展，提出并发展了动态异质结促进电荷传输等学术概念。这些研究将为实现硫化氢高效、连续转化提供重要的科学和技术支撑。