【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境小分子催化研究中心(509組群)鄧德會(huì)研究員、崔曉菊副研究員團(tuán)隊(duì)，在硫化氫電催化分解制備氫氣的研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)開發(fā)出具有雙級(jí)“鎧甲”結(jié)構(gòu)的整體式電極，實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)安培級(jí)電流密度下高效分解硫化氫制備氫氣和單質(zhì)硫。該工作為工業(yè)廢氣中硫化氫污染物的資源化利用和綠色氫能源的可持續(xù)制備提供了新思路。
 

　　硫化氫是一種常見的有毒氣體，廣泛存在于天然氣、煉油廠和化工過程中，不僅危害環(huán)境，還對(duì)設(shè)備具有腐蝕性。傳統(tǒng)的克勞斯工藝雖能將硫化氫轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫，但無法實(shí)現(xiàn)氫氣的回收利用。相比之下，電催化分解技術(shù)能夠在溫和條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)硫化氫污染物的消除和綠色氫氣的制備。然而，硫化氫的酸腐蝕性導(dǎo)致非貴金屬催化活性中心在陽(yáng)極氧化反應(yīng)中易失活，電極骨架也容易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，使得催化劑的活性與穩(wěn)定性難以兼顧，這一問題在工業(yè)級(jí)大電流密度反應(yīng)條件下尤為突出。因此，開發(fā)兼具高催化活性、優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性且易于規(guī)模化制備的電極材料，以實(shí)現(xiàn)高通量硫化氫電催化分解制氫，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
 

　　鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維材料表界面調(diào)控及其在能源與環(huán)境小分子催化轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用研究，在國(guó)際上提出“鎧甲催化”概念，并在“鎧甲”催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和催化性能調(diào)控方面開展了系統(tǒng)的研究工作(Angew. Chem. Int. Ed.，2013；Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Nat. Nanotechnol.，2016；Adv. Mater.，2017；Adv. Mater.，2019；Nat. Commun.，2021；Angew. Chem. Int. Ed.，2024)。團(tuán)隊(duì)前期利用石墨烯封裝鈷鎳合金納米顆粒催化劑，驗(yàn)證了“鎧甲”催化劑在電催化硫化氫分解體系中的可行性和優(yōu)越性(Energy Environ. Sci.，2020；The Innovation，2021；EES Catal.，2023)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)出石墨烯封裝泡沫鎳骨架的雙級(jí)“鎧甲”整體式電極，該電極的一級(jí)“鎧甲”結(jié)構(gòu)由石墨烯包覆泡沫鎳骨架構(gòu)成，二級(jí)“鎧甲”結(jié)構(gòu)則由石墨烯封裝金屬鎳納米顆粒形成。這種獨(dú)特的雙級(jí)“鎧甲”結(jié)構(gòu)不僅充分發(fā)揮了石墨烯封裝對(duì)活性位點(diǎn)的保護(hù)作用，同時(shí)通過金屬中心對(duì)石墨烯的電子調(diào)控作用，進(jìn)一步優(yōu)化了石墨烯鎧甲表面的催化活性。此外，該結(jié)構(gòu)還顯著增強(qiáng)了整體式電極的化學(xué)穩(wěn)定性，從而在電催化硫化氫分解反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了催化活性與穩(wěn)定性的雙重提升。在1.12V vs. RHE的電位下，該雙級(jí)“鎧甲”整體式電極的陽(yáng)極氧化電流密度可達(dá)1A/cm²，約為泡沫鎳的5倍；并在100 mA/cm²的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行300小時(shí)以上，使用壽命是泡沫鎳的10倍以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的工業(yè)應(yīng)用潛力。在模擬天然氣脫硫的實(shí)驗(yàn)中，該雙級(jí)“鎧甲”整體式電極在陽(yáng)極能實(shí)現(xiàn)20%濃度硫化氫的完全氧化去除，獲得單質(zhì)硫的同時(shí)在陰極獲得高純氫氣。當(dāng)體系電流密度達(dá)到200mA/cm²時(shí)，其制氫能耗較傳統(tǒng)電解水工藝降低了43%，為天然氣凈化與綠色制氫提供了一種高效、低能耗的新方案。
 

　　相關(guān)研究成果以“Highly effective and durable integrated-chainmail electrode for H2 production through H2S electrolysis”為題，于近日發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上，并被選為VIP(Very Important Paper)文章。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委“空氣主份轉(zhuǎn)化化學(xué)”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”等項(xiàng)目的支持。