【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室能源與環(huán)境小分子催化研究中心(509組群)鄧德會研究員、崔曉菊副研究員團隊，在硫化氫電催化分解制備氫氣的研究中取得新進展。團隊開發(fā)出具有雙級“鎧甲”結構的整體式電極，實現(xiàn)了在工業(yè)安培級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，還對設備具有腐蝕性。傳統(tǒng)的克勞斯工藝雖能將硫化氫轉化為單質(zhì)硫，但無法實現(xiàn)氫氣的回收利用。相比之下，電催化分解技術能夠在溫和條件下同時實現(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致非貴金屬催化活性中心在陽極氧化反應中易失活，電極骨架也容易發(fā)生結構坍塌，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)級大電流密度反應條件下尤為突出。因此，開發(fā)兼具高催化活性、優(yōu)異結構穩(wěn)定性且易于規(guī)模化制備的電極材料，以實現(xiàn)高通量硫化氫電催化分解制氫，具有重要的科學意義和應用價值。
 

　　鄧德會團隊長期致力于二維材料表界面調(diào)控及其在能源與環(huán)境小分子催化轉化中的應用研究，在國際上提出“鎧甲催化”概念，并在“鎧甲”催化劑結構設計和催化性能調(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)。團隊前期利用石墨烯封裝鈷鎳合金納米顆粒催化劑，驗證了“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)。在此基礎上，團隊進一步開發(fā)出石墨烯封裝泡沫鎳骨架的雙級“鎧甲”整體式電極，該電極的一級“鎧甲”結構由石墨烯包覆泡沫鎳骨架構成，二級“鎧甲”結構則由石墨烯封裝金屬鎳納米顆粒形成。這種獨特的雙級“鎧甲”結構不僅充分發(fā)揮了石墨烯封裝對活性位點的保護作用，同時通過金屬中心對石墨烯的電子調(diào)控作用，進一步優(yōu)化了石墨烯鎧甲表面的催化活性。此外，該結構還顯著增強了整體式電極的化學穩(wěn)定性，從而在電催化硫化氫分解反應中實現(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“鎧甲”整體式電極的陽極氧化電流密度可達1A/cm²，約為泡沫鎳的5倍；并在100 mA/cm²的電流密度下穩(wěn)定運行300小時以上，使用壽命是泡沫鎳的10倍以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的工業(yè)應用潛力。在模擬天然氣脫硫的實驗中，該雙級“鎧甲”整體式電極在陽極能實現(xiàn)20%濃度硫化氫的完全氧化去除，獲得單質(zhì)硫的同時在陰極獲得高純氫氣。當體系電流密度達到200mA/cm²時，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《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上，并被選為VIP(Very Important Paper)文章。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委“空氣主份轉化化學”基礎科學中心項目、中國科學院B類先導專項“功能納米系統(tǒng)的精準構筑原理與測量”等項目的支持。