CN110813282B - 一种单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的装置及方法 - Google Patents
一种单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的装置及方法，所述的装置包括电解池和吸收池，所述的电解池接有电催化阴极和电催化阳极，所述的电催化阴极和电催化阳极均使用石墨烯负载的单位点金属催化剂作为电极材料。本发明还提供了应用所述的装置电解硫化氢的方法。本发明具有如下技术效果：本发明将单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用中，单位点金属催化剂可以同时作为电催化阴极和电催化阳极使用，具有较高的电催化析氢性能（优于商用Pt/C电极）和电催化Fe2+氧化成Fe3+性能，相比较传统的电解硫化氢系统具有较低的电解的电位和体系能耗，较高的硫化氢分解产生硫粉的回收率，催化剂电极具有较高的长期稳定性。
Description
技术领域
本发明提供了一种单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的装置及方法，属于电化学技术领域。
背景技术
天然气、石油化工和煤矿产等领域生产过程中产生大量含有硫化氢的气体，其具有很强的毒性，燃烧产物二氧化硫是导致大气污染，形成酸雨的主要污染源，如果直接排放大气中将会严重危害人们身体健康和生活环境。因此，工业上需要对硫化氢气体进行脱硫处理。
为了更好的利用硫化氢中的氢气和硫资源，研究者研究了大量的直接将硫化氢分解为氢气和单质硫的方法，包括高温热分解法、光催化分解、低温等离子体法以及电解硫化氢等方式。硫化氢分解成氢气和单质硫的反应为：2H2S→2H2+S2。从热力学的角度分析，常温常压下硫化H2S的分解反应是无法进行的，只有在高温下才能发生这个反应，但是即使在1200℃是，H2S的转化率也只有38％。此外，H2S的强腐蚀性对反应器和材料要求较高。目前，Claus 法是常用的硫化氢处理方法，主要是通过硫化氢不完全燃烧生成二氧化硫，二氧化硫与硫化氢再继续反应生成单质的硫和水，从而达到去除硫化氢的目的。但是该方法通常需要多级转化才能实现较高的去除率，增加了反应能耗和设备成本，而且此方法直接将具有更高价值的氢转化成水，浪费了资源。
中国专利CN107233794A介绍了一种去除气体中硫化氢的方法，此方法比Claus法多加入了促进反应进行的选择性氧化催化剂和加氢还原催化剂，具有较高的硫回收率，但是此方法的反应温度仍然高达500～800℃，能耗较高，而且催化剂的制备工艺复杂。
光催化分解H2S主要是利用太能能和光催化剂实现硫化氢的光催化分解。中国专利 CN102408095B和中国专利CN101927173A中介绍了利用光催化剂分解硫化氢制备氢气和单质硫的方法，此方法虽然具有较简单的工艺和流程，但是硫化氢的光分解效率较低，很难连续的工业化处理。低温等离子体法主要是利用辉光放电、电晕放电、辉光放电等方式使H2S 电离分解。此方法虽然具有较低的实现温度，但是其H2S的转化率较低和能耗较高，目前仍然停留在实验室阶段。
电化学法分解硫化氢的方式虽然具有较高的能量利用率，但是随着反应的进行单质硫会逐渐沉积到电解阳极表面，从而引起电极的钝化，使得转化效率迅速降低。为了解决直接电解H2S的这一问题，后面发展出了间接电解法，间接电解法主要是利用反应介质与硫化氢发生化学反应，不仅能够起到分解硫化氢的目的，而且可以得到有价值的硫粉，再通过电化学催化的方法实现反应介质的循环利用，这种电解硫化氢体系成为当前研究的热点之一。
Kalina和Maas等人利用氢碘酸为反应介质，通过氢碘酸中碘离子的氧化作为阳极反应， H+的还原作为阴极反应，阳极氧化产物碘酸与H2S在另外一个反应池发生化学反应生成单质硫，实现了氢气和单质硫的制备。
中国专利CN107815698A介绍一种媒介体辅助的电解硫化氢的方法，其中Ce3+/Ce4 +， Fe2+/Fe3+，I-/I3 -都可作为反应介质应用到电解硫化氢体系中。此方法虽然实现了常温常压下 H2S的分解制硫粉，同时又获得了高附加值的氢气，但是此电化学法中的阳极的氧化反应和阴极的还原反应受电极材料的催化性能的影响较大，其还原电极采用的贵金属铂基或者金属化合物增加了电极的成本。酸性介质的环境对还原电极的腐蚀较大，极大程度上影响了使用寿命，而阳极电极采用碳、铜、铁及钛等金属对催化介质具有较高的氧化过电位。此外，电催化阳极和电催化阴极采用不同的催化剂，增加了材料的制备流程和成本。因此需要开发更高效的可以同时作为电催化阴极和电催化阳极的催化剂材料。
金属催化剂在能源生产和化学转化过程中具有非常关键的作用，发展制备简单、低成本、高效率的金属催化剂变得非常重要。随着人们在微观材料制备方面的技术的进步，催化剂的微观尺度由纳米级向亚纳米级发展，其中金属单位点金属催化剂因其具有较高的活性位点暴露，较低的金属用量以及环境稳定性成为近年来研究的热点。但是单位点金属催化剂的合成需要较高的温度热处理以及复杂的工艺，严重制约了产业化应用。因此开发普适的能够在较低温度下制备的单位点金属催化剂并将其与电解硫化氢系统耦合应用，将为硫化氢的分解和氢气的制备提供一种全新的工业生产模式。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的装置及方法。
本发明的发明人主要提出了如下两个技术贡献：
一、发明人发现石墨烯负载的单位点金属催化剂可以替换现有的电解硫化氢体系的电极材料，同时作为电催化阴极和电催化阳极的电极材料，解决了现有技术存在的技术问题，并且产生意想不到的技术效果。
上述意想不到的技术效果主要包括：
1)石墨烯负载的单位点金属催化剂作为电催化阴极使用，表现出较高的电催化析氢性能，优于目前商用Pt/C催化剂以及其他金属化合物催化剂的性能；
2)石墨烯负载的单位点金属催化剂作为电催化阳极使用，表现出极好的电催化Fe2+氧化成Fe3+性能，优于传统的钛、铜、铁及碳基阳极材料；
3)石墨烯负载的单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的的体系相比较传统的电解硫化氢系统具有较低的电解池反应电位和体系能耗；
4)石墨烯负载的单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的的体系具有高达95.7％的氢气析出效率和95.1％的硫粉的回收率；
5)石墨烯负载的单位点金属催化剂可以同时作为电催化阳极和电催化阴极使用，两电极可以互用，减少电极制备工艺流程，有利于提高电极的使用效率。此外，催化剂电极具有较高的长期稳定性。
6)较低的成本，现有电解硫化氢体系中，需要电解阴极和电解阳极采用不同的催化剂材料，其制备工艺流程不同，增加制备的成本。现有的电解阴极催化剂大多采用贵金属基催化剂，贵金属占比高于10％，其原材料成本较高，而本发明中单位点金属催化剂的负载量在3％左右，较低的金属负载量有利于原材料成本的降低。
二、发明人还提供了一种石墨烯负载的单位点金属催化剂的新制备方法，通过较低温度还原的方式制备获得石墨烯负载的单位点金属催化剂。解决了现有技术存在的技术问题，同时产生了意想不到的技术效果，主要包括：
1)单位点金属催化剂的制备工艺简单，还原温度在200℃以下，明显低于其他催化剂材料的制备温度，避免了传统高温还原过程中晶粒长大的问题，有利于单位点金属催化剂的形成，低温还原处理的工艺设备简单，制备能耗低。
2)此制备工艺具有普适性，可以使用贱金属(Ni，Fe，Gr等)盐原材料达到同样的技术效果。
本发明的技术方案如下：
一种单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的装置，所述的装置包括电解池和吸收池，所述的电解池接有电催化阴极和电催化阳极，所述的电催化阴极和电催化阳极均使用石墨烯负载的单位点金属催化剂作为电极材料。本发明中的“单位点金属催化剂”：是指材料中的每一个金属原子都暴露出来并可以作为催化反应的位点。
所述的电解池中设有阴极侧和阳极侧，电解池中间放置一个Nafion膜隔开阴极侧和阳极侧，电催化阴极设于阴极侧，阴极侧以H2SO4为电解液；电催化阳极设于阳极侧，阳极侧以含有FeSO4和Fe2(SO4)3溶液的H2SO4为电解液。
所述的电催化阳极和电催化阴极的制备方法属于常规方法，具体步骤如下：将石墨烯负载的单位点金属催化剂和一定量的粘结剂混合搅拌均匀制备成浆料，均匀涂覆到一种导电基体上，经过烘干后得到电催化电极；其中，所述的粘结剂为聚四氟乙烯或阳离子交换膜材料中的一种或几种；所述的导电基体选自钛网、泡沫钛、碳纸、碳布或者镍网中的一种。
本发明还提供了采用上述的装置电解硫化氢的方法，所述的硫化氢通入吸收池中，所述的方法包括如下步骤：
1)电催化阴极接通电源负极，电催化阳极接通电源正极，电催化阴极表面发生质子还原产生氢气的反应，同时电催化阳极发生Fe2+氧化产生Fe3+的氧化反应；
2)将步骤1)中电解池中阳极侧反应后产生的含有Fe3+的溶液通入到吸收池中与硫化氢反应，即H2S+2Fe3+→2H++2Fe2++S，生成的单质硫粉进一步回收利用，生成的Fe2+和H+重新输送到电解池中形成一个完整的物料循环体系。
本发明还提供了上述装置中的单位点金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将金属盐加入到去离子水中搅拌溶解，得到金属盐溶液；
2)向步骤1)制得的金属盐溶液中加入氧化石墨烯，得到悬浮液；
3)将步骤2)制得的悬浮液通过冷冻干燥的方式得到海绵状固体；
4)将步骤3)制得的海绵状固体在强还原剂气氛中处理得到石墨烯负载的单位点金属催化剂。
优选地，
所述步骤1)中，金属盐为硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、硝酸铬、硝酸铜、三氯化钌、三氯化铑、三氯化铱、氯铂酸中的一种或者几种的混合物。
所述步骤1)中，金属盐溶液中金属盐与去离子水的质量体积比为1mg:5～100ml。优选质量体积比为1.6mg:50ml。
所述步骤2)中，悬浮液中的氧化石墨烯加入量为金属盐质量的50～100倍。优选氧化石墨烯加入量为金属盐质量的50倍。
所述步骤3)中，冷冻干燥的时间为12-72小时。优选冷冻干燥36小时。
所述步骤4)中，强还原剂为水合肼或者邻羟基苯胺。
所述步骤4)中，强还原剂气氛是通过加热强还原剂至挥发状态获得。
所述步骤4)中，海绵状固体在强还原剂气氛处理时，还原温度为60～200℃，时间为2-12 小时。优选还原温度为120-180℃，还原时间为2-4小时。最优选还原温度为150℃，还原时间为2小时。
本发明的单位点金属催化剂的制备方法的机理及技术效果如下：
本发明中单位点金属催化剂的制备，首先是将金属盐溶液和氧化石墨烯充分混合获得均匀的悬浮液，这样子能够最大限度的分散金属盐离子，使得其与氧化石墨烯中的含氧官能团充分接触形成配体，然后将获得悬浮液通过冷冻干燥的方式获得海绵状的固体，其中冷冻干燥处理的优势在于，其一快速的冷冻可以起到固定金属盐离子的作用，避免形成类似液相中的浓度差异问题，其二是冷冻干燥是在低温下完成的，不会改变物质的组织结构和配体状态，最后通过较低温度下的还原气氛中的还原处理获得石墨烯负载的单位点金属催化剂，其还原处理最大的优势是还原过程是在较低温度60～200℃下完成的，避免了传统高温还原过程中晶粒长大的问题，有利于单位点金属催化剂的形成，而且低温还原处理的工艺设备简单，便于操作。
本发明的电解硫化氢的装置，具有如下技术效果：本发明中将单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用中，单位点金属催化剂可以同时作为电催化阴极和电催化阳极使用，具有较高的电催化析氢性能(优于商用Pt/C电极)和电催化Fe2+氧化成Fe3+性能，相比较传统的电解硫化氢系统具有较低的电解的电位和体系能耗，较高的硫化氢分解产生硫粉的回收率，催化剂电极具有较高的长期稳定性。同时大大降低了电极的成本。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的单位点钌催化剂的高分辨高角环形暗场像照片及金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的结构示意图。
图2是本发明实施例1中单位点钌催化剂制备的电催化阴极的线性扫描曲线。
图3是本发明实施例1中单位点钌催化剂制氢效率曲线。
图4是本发明实施例1中单位点钌催化剂和电解硫化氢体系耦合应用的电位和电流密度关系曲线。
图5是本发明实施例1中的硫的回收效率曲线。
图6是本发明实施例2中制备的单位点钴催化剂的高分辨高角环形暗场像照片。
图7是本发明实施例3中制备的单位点铱催化剂的高分辨高角环形暗场像照片。
图8是本发明对照例1中商用Pt/C制备的电催化阴极的线性扫描曲线。
图9是本发明对照例1中商用Pt/C和电解硫化氢体系耦合应用的电位和电流密度关系曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围。
本申请中的电解硫化氢装置的结构和部件参考中国专利CN107815698A，但是其中所用的电极材料为本发明独创。
实施例中的“商用铂钌催化剂”购自上海麦克林生化科技有限公司。
实施例中的“商用铂碳(20wt％Pt)催化剂”购自上海麦克林生化科技有限公司。
实施例中的整个实验流程中采用上海辰华CHI 440C电化学工作站对电解过程中的电流、电压等参数数据进行调控和监测。
实施例1
一、制备石墨烯负载的单位点钌催化剂
包括如下步骤：
1)将1.6mg三氯化钌加入到50ml去离子水中，通过超声分散和磁搅方式至完全溶解，得到金属钌溶液；
2)将80mg氧化石墨烯加入到步骤1)制得的金属钌溶液中，通过超声分散和磁搅拌的方式分散均匀，得到悬浮液；
3)将步骤2)制得的悬浮液分装到离心管中，用液氮迅速冰冻，然后转移至冷冻干燥机中干燥36小时，得到泡沫状固体；
4)将步骤3)制得的将泡沫状固体放置于水合肼溶液上方，加热水合肼使其挥发，利用其挥发气氛还原泡沫状固体，还原温度为150℃，还原时间为2小时，最终得到石墨烯负载的单位点金属钌催化剂。
从图1中的左侧的高分辨高角环形暗场像照片可以看出，得到石墨烯负载的单位点金属钌催化剂中的金属钌的粒径达到原子尺度级，其均匀分散在石墨烯中。
二、将上一步制备石墨烯负载的单位点钌催化剂用于电解硫化氢装置进行硫化氢电解
如图1中右侧的结构图所示，电解硫化氢的装置，包括一个电解池和一个吸收池，所述的电解池接有一个电催化阴极和一个电催化阳极，电催化阴极和电催化阳极均采用上一步制备石墨烯负载的单位点钌催化剂作为电极材料。
电解池中设有阴极侧和阳极侧，电解池中间放置一个Nafion膜隔开阴极侧和阳极侧，电催化阴极设于阴极侧，阴极侧以0.5M H2SO4为电解液；电催化阳极设于阳极侧，阳极侧以含有0.96M FeSO4和0.74M Fe2(SO4)3的0.5M H2SO4为电解液。
电催化阴极和电催化阳极的制备属于常规方法，具体步骤如下：首先将上一步获得的石墨烯负载的单位点钌催化剂作为电极材料和粘合剂70μl Nafion溶液(5wt％)混合均匀，然后加入到体积比为1:1的乙醇和水的混合溶液中，超声60分钟后制备成浆料，均匀涂覆到碳布上，经过60℃烘干得到电催化电极。电催化阴极和电催化阳极均采用此电催化电极。
电解硫化氢时，将前面制得电催化电极分别组装到图1中的电解硫化氢装置中作为电催化阳极和阴极使用。硫化氢通入吸收池中。硫化氢的电解过程具体包括如下步骤：
1)电催化阴极接通电源负极，电催化阳极接通电源正极，电催化阴极表面发生质子还原产生氢气的反应，同时电催化阳极发生Fe2+氧化产生Fe3+的氧化反应；
2)将步骤1)中电解池中阳极侧反应后产生的含有Fe3+的溶液通入到吸收池中与硫化氢反应，即H2S+2Fe3+→2H++2Fe2++S，生成的单质硫粉进一步回收利用，生成的Fe2+和H+重新输送到电解池中形成一个完整的物料循环体系。
采用上海辰华CHI 440C电化学工作站对电解过程中的电流、电压等参数数据进行调控和监测，测试硫化氢分解和制氢耦合体系的性能，结果如图2-5所示：
图2给出了单位点钌催化剂制备的电催化阴极析的线性扫描曲线，以10mA cm-2电流密度时的过电位衡量催化剂的析氢活性，从图中可以得出产生10mA cm-2电流密度需要23mV 的电位。
从图3可以看出，制氢效率达到95.7％。
图4给出了电位点钌催化剂及和电解硫化氢体系耦合应用的电位和电流密度关系曲线，可以明显的看出，整个耦合体系的工作电位较低，产生10mA cm-2电流密度仅仅需要0.89V 的电位。
从图5可以看出，单质硫的回收效率达95.1％，具有较高的硫化氢分解效率。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于：将金属盐三氯化钌更换成硝酸钴，还原温度为120℃，还原时间为4小时，最终得到石墨烯负载的单位点钴催化剂。
从图6中的高分辨高角环形暗场像照片可以看出，得到石墨烯负载的单位点金属钴催化剂中的金属钴的粒径达到原子尺度级，其均匀分散在石墨烯中。
将实施例2的石墨烯负载的单位点钴催化剂制成电催化阴极和电催化阳极，用于电解硫化氢装置进行硫化氢电解，方法与实施例1相同。
采用上海辰华CHI 440C电化学工作站对电解过程中的电流、电压等参数数据进行调控和监测，测试耦合体系的性能。
结果如下：石墨烯负载的单位点钴催化剂作为电催化阴极用于析氢反应，在10mAcm-2电流密度时析氢过电位为33mV，制氢效率达到94.2％；其组成耦合体系中电解池的电位在 0.95V，单质硫的回收率达到93.6％。
实施例3
本实例与实施例1不同之处在于：将金属盐三氯化钌更换成氯化铱，还原温度控制在 180℃，还原时间为2小时，得到石墨烯负载的单位点铱催化剂。
从图7中的高分辨高角环形暗场像照片可以看出，得到石墨烯负载的单位点金属铱催化剂中的金属铱的粒径达到原子尺度级，其均匀分散在石墨烯中。
将实施例3的石墨烯负载的单位点铱催化剂制成电催化阴极和电催化阳极，用于电解硫化氢装置进行硫化氢电解，方法与实施例1相同。
采用上海辰华CHI 440C电化学工作站对电解过程中的电流、电压等参数数据进行调控和监测，测试耦合体系的性能。
结果如下：石墨烯负载的单位点铱催化剂作为电催化阴极用于析氢反应，在10mAcm-2电流密度时析氢过电位为29mV，制氢效率达到95.3％；其组成耦合体系中电解池的电位在 0.91V，单质硫的回收率达到94.5％。
对照例1
对照例中，将实施例1的石墨烯负载的单位点钌催化剂换成商用的Pt/C(20wt％)催化剂作为电催化阴极，电催化阳极采用碳棒，在保证与实施例1中实验条件一致的情况下，测试硫化氢分解和制氢耦合体系的性能。
接通电路后，阴极池中发生催化析氢反应，产生氢气，图8给出了商用的Pt/C(20wt％) 催化剂的线性扫描曲线，产生10mA cm-2电流密度需要39mV的电位，高于单位点钌催化剂高的过电位；
图9给出了商用Pt/C和电解硫化氢体系耦合应用的电位和电流密度关系曲线，产生10mA cm-2电流密度需要1.91V的电位，明显高于实施例1中的电位。
结论：由于上述效果对比可知，本发明提供的石墨烯负载的单位点金属催化剂具有较高的活性，而且单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用表现出较低的电解电位，较高的硫回收效率，氢气制备效率，整个耦合系统在常温常压可以实现连续生产，易于实现。
Claims (7)
1.一种单位点金属催化剂和电解硫化氢系统耦合应用的装置，所述的装置包括电解池和吸收池，所述的电解池接有电催化阴极和电催化阳极，其特征在于，所述的电催化阴极和电催化阳极均使用石墨烯负载的单位点金属催化剂作为电极材料；
所述的电解池中设有隔开的阴极侧和阳极侧，电催化阴极设于阴极侧，阴极侧以H2SO4为电解液；电催化阳极设于阳极侧，阳极侧以含有FeSO4和Fe2(SO4)3溶液的H2SO4为电解液；
所述的装置中的单位点金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1）将金属盐加入到去离子水中搅拌溶解，得到金属盐溶液；
2）向步骤1）制得的金属盐溶液中加入氧化石墨烯，得到悬浮液；
3）将步骤2）制得的悬浮液通过冷冻干燥的方式得到海绵状固体；
4）将步骤3）制得的海绵状固体在强还原剂气氛中处理得到石墨烯负载的单位点金属催化剂；
所述步骤1）中，金属盐为硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、硝酸铬、硝酸铜、三氯化钌、三氯化铑、三氯化铱、氯铂酸中的一种或者几种的混合物；金属盐溶液中金属盐与去离子水的质量比为1mg：5~100ml。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的单位点金属催化剂制备方法的步骤2）中，悬浮液中的氧化石墨烯加入量为金属盐质量的50~100倍。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的单位点金属催化剂的制备方法的步骤3）中，冷冻干燥的时间为12-72小时。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的单位点金属催化剂制备方法的步骤4）中，强还原剂为水合肼或者邻羟基苯胺。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的单位点金属催化剂制备方法的步骤4）中，强还原剂气氛是通过加热强还原剂至挥发状态获得。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的单位点金属催化剂制备方法的步骤4）中，海绵状固体在强还原剂气氛处理时，还原温度为60~200℃，时间为2-12小时。
7.应用如权利要求1-6任意一项所述的装置电解硫化氢的方法，所述的硫化氢通入吸收池中，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
1）电催化阴极接通电源负极，电催化阳极接通电源正极，电催化阴极表面发生质子还原产生氢气的反应，同时电催化阳极发生Fe2+氧化产生Fe3+的氧化反应；
2）将步骤1）中电解池中阳极侧反应后产生的含有Fe3+的溶液通入到吸收池中与硫化氢反应，即H2S + 2Fe3+→2H+ + 2Fe2+ + S，生成的单质硫粉进一步回收利用，生成的Fe2+和H+重新输送到电解池中阳极侧形成一个完整的物料循环体系。
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