李燦院士團隊Angew. Chem. Int. Ed. : 太陽能驅動電化學協同轉化CO2和H2S

【引言】

在現代社會，天然氣作為燃料和化工原料被大量應用在能源和化學工業中。來自天然氣田的天然氣主要成分為甲烷(CH₄)，伴生包括二氧化碳(CO₂)、硫化氫(H₂S)等酸性氣體在內的其他氣體。H₂S有毒性，可腐蝕管道和設備，污染環境，易使催化劑中毒，不利于天然氣下游工業生產；過量的CO₂會影響天然氣熱值，降低經濟效益，在液化天然氣中易固相析出堵塞管道。天然氣中H₂S和CO₂的存在給其加工和利用帶來嚴重的問題。因此，將天然氣中H₂S和CO₂氣體同時轉化有價值的產品是兼具經濟和環境雙重效益的理想策略。但是利用光電化學方法將CO₂和H₂S同時轉化為高附加值化學品的方法尚未見報道。

【成果簡介】

近日，中國科學院大連化物所李燦院士、宗旭研究員(共同通訊作者)和博士后馬偉光博士等提出并實現了一種利用太陽能將H₂S和CO₂協同轉化為高附加值化學品的電化學策略。該策略以石墨烯包裹的氧化鋅作為CO₂還原催化劑、以石墨烯為媒介體EDTA-Fe²⁺(用于捕獲H₂S)的氧化催化劑，利用化學環反應將H₂S分解為單質S和質子，質子被用于CO₂電化學還原生成CO的反應，最后的凈結果是實現了計量化學反應協同轉化(H₂S+CO₂ → CO + S+ H₂O)。該太陽能驅動的電催化反應可在近中性條件下進行，使用非貴金屬廉價催化劑，持續、高效和選擇性的將CO₂和H₂S分別轉化為一氧化碳和單質硫。這一策略為天然氣凈化提供了一種兼具經濟和環境效益的綠色途徑。這個研究進展已經申請了專利并近期在以題為“Achieving Simultaneous CO₂ and H₂S Conversion via a Coupled Solar-Driven Electrochemical Approach on Non-Precious-Metal Catalysts”的研究論文在Angew. Chem. Int. Ed.上發表。

【圖文簡介】

圖1 CO₂和H₂S的光電化學轉化過程

以廉價金屬催化劑光電催化協同轉化CO₂和H₂S的反應過程示意圖。

圖2 ZnO和ZnO@G(石墨烯包覆的ZnO)催化劑的結構和形貌

a) ZnO和ZnO@G的XRD譜圖；

b) ZnO和ZnO@G的Raman光譜；

c) ZnO@G的TEM圖像；

d,e) ZnO@G的HRTEM圖像。

圖3 ZnO@G選擇性催化CO₂轉化為CO

a) 三種催化劑在CO₂飽和的EMIM-BF₄/H₂O溶液中的LSV曲線；

b) 三種催化劑在不同電勢下的FE_CO(CO法拉第效率)；

c) 三種催化劑在0.508-0.908 V過電勢范圍的TOF_CO；

d) 三種催化劑在0.813 V和CO₂飽和的EMIM-BF₄/H₂O溶液中還原CO₂反應的穩定性。

圖4 CO₂和H₂S的電化學協同轉化過程

a) H型電解池中，FeCl₃和EDTA-Fe³⁺穿透Nafion膜隨時間的變化；

b) GCS和G/GCS電極在三電極體系中氧化0.1M EDTA-Fe²⁺的LSV曲線；

c) 兩電極體系中，不同陽極反應對CO₂還原的影響；

d) 兩電極體系中，rZnO@G修飾電極在CO₂飽和的EMIM-BF₄/H₂O溶液中的反應穩定性。

圖5 CO₂和H₂S的光電化學協同轉化過程

a) 三結硅太陽能電池在暗態和模擬AM 1.5G 100 mW·cm^-2照射下的J-V 曲線和兩電極體系電催化反應的LSV的曲線，兩條曲線的交點為反應工作點。

b) 在模擬太陽光照(AM 1.5 G)下，太陽能驅動電化學體系的計時電流斬光曲線。

【小結】

研究人員設計并成功實現了一種全新的太陽能驅動的CO₂和H₂S協同轉化電化學策略。上述過程采用廉價的ZnO@G和石墨烯作為電催化劑，在低能量輸入條件下可持續、高效地將模擬填天然氣中CO₂和H₂S同時轉換成高附加值CO和S產品。該過程可在溫和的中性條件進行，催化劑成本低廉、系統結構簡單，具有一定的工業化應用前景。將天然氣中的廢氣轉化為高附加值化學品的理念為兼具環境和經濟效益的天然氣凈化提供了一種新的思路。

文獻鏈接： Achieving Simultaneous CO₂ and H₂S Conversion via a Coupled Solar-Driven Electrochemical Approach on Non-Precious-Metal Catalysts (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201713029)

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