Сероводородный газ имеет безошибочно узнаваемый аромат тухлых яиц. Он часто поступает из канализационных коллекторов, складов и свалок, но это особенно проблематично для нефтеперерабатывающих заводов, нефтехимических заводов и других отраслей промышленности, которые ежегодно производят тысячи тонн вредного газа в качестве побочного продукта процессов, которые удаляют серу из нефти, природного газа, угля и других продуктов.

В опубликованном исследовании в журнале Американского химического общества high-impact journal Энергетические письма ACS, Инженер Райс, физик и химик Наоми Халас и ее коллеги описывают метод, который использует наночастицы золота для преобразования сероводорода в газообразный водород с высоким спросом и серу за один шаг. Еще лучше то, что одноступенчатый процесс получает всю свою энергию от света. Соавторами исследования являются Питер Нордландер из Райс, Эмили Картер из Принстонского университета и Хоссейн Робатджази из Syzygy Plasmonics.

"Выбросы сероводорода могут привести к значительным штрафам для промышленности, но восстановление также очень дорого", - сказал Халас, пионер нанофотоники, чья лаборатория потратила годы на разработку коммерчески жизнеспособных нанокатализаторов, активируемых светом. "Фраза "изменяющая правила игры" используется слишком часто, но в данном случае она применима. Внедрение плазмонного фотокатализа должно быть намного дешевле, чем традиционное восстановление, и оно обладает дополнительным потенциалом превращения дорогостоящего бремени во все более ценный товар ".

Каждая молекула сероводородного газа (H2S) содержит пару атомов водорода и один атом серы. Каждая молекула газообразного водорода чистого горения (Н2) - основного продукта водородной экономики - содержит пару атомов водорода. В новом исследовании команда Халаса усеяла поверхность зерен порошка диоксида кремния крошечными островками золота. Каждый островок представлял собой золотую наночастицу диаметром около 10 миллиардных долей метра, которая должна была сильно взаимодействовать с определенной длиной волны видимого света. Эти плазмонные реакции создают "горячие носители", короткоживущие электроны высокой энергии, которые могут стимулировать катализ.

В исследовании Халас и соавторы использовали лабораторную установку и показали, что блок светодиодных ламп может производить фотокатализ горячего носителя и эффективно преобразовывать H2S непосредственно в газ H2 и серу. Это резко контрастирует с устоявшейся каталитической технологией, используемой нефтеперерабатывающими заводами для расщепления сероводорода. Известный как процесс Клауса, он производит серу, но не водород, который вместо этого преобразуется в воду. Процесс Клауса также требует нескольких этапов, в том числе некоторых, требующих нагрева камер сгорания примерно до 1500 градусов по Фаренгейту.

Технология плазмонной рекультивации сероводорода была лицензирована компанией bySyzygy Plasmonics, начинающей компанией из Хьюстона с более чем 60 сотрудниками, соучредителями которой являются Халас и Нордландер.

Халас сказал, что процесс восстановления может привести к достаточно низким затратам на внедрение и достаточно высокой эффективности, чтобы стать экономичным для очистки от непромышленного сероводорода из таких источников, как канализационный газ и отходы животноводства.

"Учитывая, что для этого требуется только видимый свет и никакого внешнего нагрева, процесс должен быть относительно простым для масштабирования с использованием возобновляемой солнечной энергии или высокоэффективного твердотельного светодиодного освещения", - сказала она.

3 октября Халас и Нордландер были награждены престижной премией Eni Energy Transition Award 2022 в знак признания их усилий по разработке эффективных легких катализаторов для промышленного производства водорода.

Халас - профессор электротехники и вычислительной техники Стэнли К. Мура в университете Райса, а также профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии. Нордландер является заведующим кафедрой Висса Райса и профессором физики и астрономии, а также профессором электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии. Картер - почетный профессор энергетики и окружающей среды Принстонского университета имени Герхарда Р. Андлингера, а также почетный профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии, прикладной и вычислительной математики. Робатджази - главный научный сотрудник в Сизиги плазмоники и адъюнкт-профессор химии в Райс.

Исследование было поддержано Фондом Уэлча (C-1220, C-1222), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-15-1-0022 ) и Агентство по уменьшению военной угрозы (HDTRA 1-16-1-0042).