Превращение побочных продуктов газа в пользу

Концепция химического катализатора

Катализатор, активированный светом, преобразует сероводород в водородную энергию за одну стадию.

Инженеры и ученые из Университета Райса разработали для нефтехимических заводов приятный способ превратить вонючий побочный продукт в деньги.

Еще одним преимуществом является то, что свет является единственным источником энергии, используемым в одностадийном процессе.

Сероводородный газ имеет отчетливый запах тухлых яиц. Он часто исходит из канализации, складов и свалок, но особенно проблематичен для нефтеперерабатывающих заводов, нефтехимических заводов и других отраслей промышленности. Тысячи тонн ядовитого газа ежегодно производятся как побочный продукт процессов удаления серы из нефти, природного газа, угля и других продуктов в этих местах.

Наоми Халас, инженер из Райса, физик и химик, и ее коллеги описывают процесс, в котором используются наночастицы золота для преобразования сероводорода в серу и востребованный газообразный водород за одну стадию, в исследовании, которое недавно было опубликовано в журнале ACS Energy Letters. Более того, одностадийный процесс нуждается только в свете в качестве источника энергии. Соавторами исследования являются Хосейн Робатжази из Syzygy Plasmonics, Эмили Картер из Принстонского университета и Питер Нордландер из Университета Райса.

Очистка от сероводорода с использованием энергии света

«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 нанокатализаторов, активируемых светом. «Фраза «изменить правила игры» используется слишком часто, но в данном случае она уместна. Внедрение плазмонного фотокатализа должно быть намного дешевле, чем традиционное восстановление, и у него есть дополнительный потенциал превращения дорогостоящего бремени во все более ценный товар».

Иллюстрация одностадийного процесса очистки от сероводорода с помощью света, который стал возможен благодаря фотокатализатору из золота, созданному в Университете Райса. Предоставлено: Halas Group/Университет Райса.

Каждая молекула газообразного сероводорода (H2S) содержит два атома водорода и один атом серы. Каждая молекула полностью сгорающего газообразного водорода (H2), основного продукта водородной экономики, содержит два атома водорода. В новом исследовании команда Халаса посыпала поверхность зерен порошка диоксида кремния крошечными островками золота. Каждый остров представлял собой наночастицу золота размером в 10 миллиардных долей метра, которая сильно взаимодействовала с определенной длиной волны видимого света. Эти плазмонные реакции создают «горячие носители», которые представляют собой короткоживущие высокоэнергетические электроны, способные управлять катализом.

В исследовании Халас и его соавторы использовали лабораторную установку и показали, что группа светодиодных ламп может производить фотокатализ на горячем носителе и эффективно преобразовывать H2S непосредственно в газообразный H2 и серу. Это резко контрастирует с устоявшейся каталитической технологией, используемой нефтеперерабатывающими заводами для разложения сероводорода. Известный как процесс Клауса, он производит серу, но не водород, который вместо этого превращается в воду. Процесс Клауса также требует нескольких стадий, в том числе некоторых, требующих нагрева камер сгорания примерно до 1500 градусов по Фаренгейту.

Технология плазмонной очистки от сероводорода была лицензирована Syzygy Plasmonics, стартап-компанией из Хьюстона, в которой работает более 60 сотрудников, соучредителями которой являются Халас и Нордландер.

Процесс восстановления

Халас сказал, что процесс восстановления может иметь достаточно низкие затраты на реализацию и достаточно высокую эффективность, чтобы стать экономичным 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», — сказала она.
• 3 октября компаниям Halas и Nordlander была вручена престижная премия Eni Energy Transition Award 2022 в знак признания их усилий по разработке эффективных катализаторов с легким питанием для производства водорода в промышленных масштабах.
• Халас является профессором электротехники и вычислительной техники Стэнли С. Мура Райс, а также профессором химии, биоинженерии, физики и астрономии, а также материаловедения и наноинженерии. Нордландер — заведующий кафедрой Райс Висс и профессор физики и астрономии, а также профессор электротехники и вычислительной техники, а также материаловедения и наноинженерии.

Картер является профессором Герхарда Р. Андлингера в области энергетики и окружающей среды в Принстонском центре энергетики и окружающей среды, старшим стратегическим советником по науке об устойчивом развитии в Принстонской лаборатории физики плазмы и профессором машиностроения и аэрокосмической техники, а также прикладной и вычислительной математики. Робатжази — главный научный сотрудник Syzygy Plasmonics и адъюнкт-профессор химии в Rice.

Источник

Метки: Катализаторы