《用於H2S完全分解制氫的非平衡電漿-光催化體系構建》是依託大連理工大學,由王瑤擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：用於H2S完全分解制氫的非平衡電漿-光催化體系構建
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王瑤
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
H2S直接分解既可以使其無害化，又可以生產氫氣和單質硫，是一條理想的H2S資源化技術路線。然而，H2S的分解反應因受熱力學平衡限制，在常規的反應條件下其轉化率很低。且H2S惡臭有毒，具腐蝕性，使H2S的分離在技術上和操作上都存在很大問題。在非平衡電漿中，H2S的S-H鍵會被打斷而離解為原子和正負離子，從而打破熱力學平衡限制，獲得更高的轉化率。申請者採用介質阻擋放電與光催化劑（ZnS/Al2O3和CdS/Al2O3）結合的方式，在溫和、低能耗條件下實現了H2S的完全分解。本項目將系統研究這一體系的反應規律，深入研究分解反應、催化本質和協同作用機制。介質阻擋放電採用線-筒式反應器結構，電極間填充負載型ZnS、CdS等光催化劑，最佳化反應條件，認知反應規律，從而揭示電漿和光催化劑在H2S分解反應中的作用機制。本項目的研究將開闢一條便捷高效的H2S分解制氫新途徑，豐富電漿與催化反應理論。
結題摘要
硫化氫 (H2S)是一種具有毒性、惡臭的氣體，必須就地無害化處理。目前採用的克勞斯法可將硫轉化為低值的硫磺，而將寶貴的氫轉化為水。H2S分解法可同時獲得硫磺和氫氣，是一條資源化利用H2S的途徑。但是，受熱力學平衡限制，不僅能耗高，而且難以實現完全轉化。本項目採用電漿突破平衡限制，催化劑提高能源效率，從而在低能耗條件下實現了H2S完全分解。 設計加工了適用於H2S分解反應的介質阻擋放電低溫電漿反應裝置，製備了Al2O3負載的CdS和ZnS半導體催化劑，將顆粒催化劑填裝於放電電極之間的間隙，實現電漿與固體催化劑床層的偶合。研究了注入能量、反應器尺寸、稀釋氣種類、H2S濃度，反應氣流量，氫分壓，活性相負載量等因素對H2S分解反應的影響。結果表明：H2S轉化率隨著注入能量的增加不斷提高；反應器內徑的增大會導致放電區域出現弱放電從而降低效率；單原子氣體Ar作為稀釋氣有促進H2S分解作用； H2S在電漿下氣相分解速率極快，表現為停留時間幾乎不影響分解反應；氫有利於H2S分解但其促進作用未涉及催化劑表面反應。由於採用了硫化物半導體催化劑，長周期實驗顯示催化劑具有良好的穩定性。電漿與負載型ZnS和CdS半導體催化劑的協同下實現了H2S完全分解，且所需能耗較低。 研究了負載型CdS和ZnS半導體催化劑與電漿結合分解H2S的協同作用本質，提出低溫電漿與半導體催化劑協同分解H2S的作用機制和反應歷程。研究發現，分布在放電間隙中的強電場和光子都可以激發CdS和ZnS半導體催化劑產生電子-空穴對，因其強氧化還原能力，可以加速第二個S-H鍵的斷裂，從而顯著提高H2S分解反應速率。據此，我們提出二者協同分解H2S的作用機制： (a) 電漿中H2S分子中第一個S-H迅速斷裂；(b)受強電場和光子激發，半導體催化劑表面產生的電子空穴對可加速第二個S-H斷裂反應，不僅可以實現完全轉化，而且顯著降低能耗。 研製出了具有能量利用率更高的負載型雙金屬硫化物半導體催化劑，更有效、更充分的利用電漿中存在的光能和電能，進一步提高H2S分解性能。發現Zn0.6Cd0.4S/Al2O3和Zn0.4Cd0.6S/Al2O3兩種固溶體催化劑表現出更高的催化活性。這主要歸因於兩種固溶體催化劑適宜的禁頻寬度、導帶電位和價帶電位。在負載型Cr-ZnS催化劑中，Cr/Zn比為0.20時活性最高
