科學(xué)通報 | 變廢為寶：光伏驅(qū)動新技術(shù)讓劇毒硫化氫化身綠色氫能

西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院唐春、周瑩教授等人開發(fā)了具有良好電催化活性與穩(wěn)定性的Ni3S2/NF催化材料，構(gòu)建了光伏-電催化硫化氫直接分解系統(tǒng)，實現(xiàn)了低能耗氫氣脫硫。

在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，我國清潔能源發(fā)展駛?cè)肟燔嚨馈＝刂?024年上半年，可再生能源裝機(jī)已占我國發(fā)電總裝機(jī)的53.8%，綠電成為能源系統(tǒng)的主力軍已成定局。然而，風(fēng)電、光伏的波動性也讓綠電并網(wǎng)消納面臨挑戰(zhàn)——如何將不穩(wěn)定的綠電高效轉(zhuǎn)化為可存儲的能源，成為當(dāng)前能源科技攻關(guān)的關(guān)鍵。

硫化氫是一種具有強(qiáng)腐蝕性的劇毒氣體，廣泛存在于天然氣開采和石化加工過程中。全球含H?S的酸性氣田儲量超過736萬億立方米，約占世界天然氣總儲量的40%。我國四川盆地、渤海灣等地區(qū)部分氣藏的H?S含量甚至高達(dá)60%~90%，這些酸性氣藏的開發(fā)必須經(jīng)過嚴(yán)格的凈化處理。

目前，石化行業(yè)普遍采用克勞斯工藝處理硫化氫，將其轉(zhuǎn)化為硫磺。這項技術(shù)雖有百年歷史，卻存在明顯短板：反應(yīng)能耗高、產(chǎn)生有毒的二氧化硫尾氣，更重要的是，它只回收了硫資源，卻浪費了硫化氫中潛在的氫能。

電催化技術(shù)為硫化氫的資源化利用開辟了新途徑。與傳統(tǒng)的電解水制氫需要1.23 V理論電壓不同，電催化硫化氫分解的理論電壓僅為0.35 V，能耗大幅降低。這意味著，用更少的電就能產(chǎn)出同樣多的氫氣。

在此，本文開發(fā)了具有良好電催化活性與穩(wěn)定性的Ni3S2/NF催化材料，構(gòu)建了光伏-電催化（PV-EC）H2S直接分解系統(tǒng)，實現(xiàn)了低能耗制氫脫硫。系統(tǒng)采用自行封裝的單晶硅光伏電池組件提供電能，設(shè)計了高效的電解反應(yīng)器件，以Ni3S2/NF電催化材料同時作為陰極和陽極，堿性電解液吸收H2S氣體儲存在堿液罐中，使用蠕動泵將電解液送至電解器件，電解產(chǎn)生的H2被收集于儲氫罐中。在100 mW/cm2的光強(qiáng)下進(jìn)行連續(xù)電解制氫性能測試，能穩(wěn)定運行10 h以上，氫氣產(chǎn)量約為1 L/天，氫氣的平均法拉第效率為99.9%，平均STH達(dá)6.6%，系統(tǒng)制氫能耗僅為1.89 kW h Nm?3 H2，實現(xiàn)利用光伏發(fā)電將H2S直接電解為氫氣和硫化工產(chǎn)品。此外，通過原位拉曼測試證明電解過程中陽極S2?/HS?向多硫化物的轉(zhuǎn)化。該工作將光伏發(fā)電與電催化H2S直接分解結(jié)合運行實現(xiàn)低能耗分解H2S制氫脫硫，為能源可持續(xù)發(fā)展提供有效策略。

圖1Ni3S2/NF的結(jié)構(gòu)表征組圖。(a) Ni3S2/NF催化材料原位生長制備工藝示意圖; (b) 泡沫鎳基底的SEM圖; (c~g) Ni3S2/NF-5 h，Ni3S2/NF-7 h，Ni3S2/NF-9 h，Ni3S2/NF-11 h和Ni3S2/NF-13 h的SEM圖; (h) Ni3S2納米結(jié)構(gòu)的TEM圖; (i) Ni3S2納米結(jié)構(gòu)的HRTEM圖; (j) Ni3S2/NF的EDS元素分析圖

圖2Ni3S2/NF的成分表征組圖。(a) Ni3S2/NF的XRD圖譜; (b) Ni3S2/NF的拉曼光譜圖; (c, d) Ni3S2/NF的Ni 2p和S 2p的XPS圖譜

圖3Ni3S2/NF的電化學(xué)性能組圖。(a) 電催化H2S轉(zhuǎn)化的原理圖; (b) 堿性條件下SOR，HER和OER的Pourbaix圖; (c) 不同催化材料的SOR極化曲線對比; (d) 在Ni3S2/NF-11 h電極上SOR與OER極化曲線對比; (e) Ni3S2/NF-11 h電極在不同的電解液中提供不同電流密需要的電勢; (f) 不同催化材料在不同電解液中的HER極化曲線對比; (g) 不同催化材料的電化學(xué)阻抗圖譜; (h) 不同Ni3S2/NF材料在0.167 V時的電容電流隨掃描速度的變化規(guī)律(△j0=ja?jc); (i) Ni3S2/NF-11 h在30 mA cm?2下進(jìn)行200 h耐久性測試; (j) 200 h穩(wěn)定性測試前后Ni3S2/NF-11 h的SOR極化曲線

圖4電催化H2S直接分解產(chǎn)物分析圖組。(a) 電流密度為100 mA cm?2恒流測試條件下氫氣產(chǎn)率和法拉第效率; (b) 將不同反應(yīng)時間電解液稀釋100倍后的紫外可見光譜(插圖：陽極電解液隨時間延長的照片); (c) 陽極電解液酸化處理后收集的產(chǎn)物XRD譜圖(插圖：收集到的S粉產(chǎn)物照片); (d) 不同電位下Ni3S2/NF電極在1.0 mol L?1Na2S+1 mol L?1NaOH溶液中250~2800 cm?1范圍內(nèi)的原位拉曼光譜

圖5 光伏-電催化H2S直接分解制氫脫硫系統(tǒng)性能研究圖組。(a) 光伏-電催化H2S直接分解制氫脫硫系統(tǒng)實驗裝置圖; (b) 電解器件組裝結(jié)構(gòu)圖; (c) 在1 mol L?1Na2S+1 mol L?1NaOH溶液中Ni3S2/NF電極的SOR多電流過程圖; (d) 在1 mol L?1Na2S+1 mol L?1 NaOH溶液中Ni3S2/NF電極的HER多電流過程圖; (e) 電解器件中SOR+HER體系與OER+HER體系極化曲線對比，(f) 系統(tǒng)運行10 h內(nèi)的氫氣產(chǎn)量情況以及該過程的法拉第效率; (g) 自行封裝的太陽能光伏板J-V曲線與SOR+HER體系的極化曲線; (h) 不同光電流下系統(tǒng)的STH; (i) 在開關(guān)光照射下系統(tǒng)的電流情況

圖6 油氣開采利用與新能源融合發(fā)展愿景圖

文章信息

杜永紅, 唐春, 吳夢南, 段超, 白宇, 黃崢越, 周瑩. 低能耗光伏電解硫化氫分解制氫脫硫. 科學(xué)通報, 2026, 71(2): 529–541

Du Y, Tang C, Wu M, Duan C, Bai Y, Huang Z, Zhou Y. Low-energy consumption in the photovoltaic electrocatalytic desulfurization of hydrogen sulfide (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(2): 529–541, doi: 10.1360/TB-2024-1389

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