用于H2S完全分解制氢的非平衡等离子体-光催化体系构建

H2S直接分解既可以使其无害化，又可以生产氢气和单质硫，是一条理想的H2S资源化技术路线。然而，H2S的分解反应因受热力学平衡限制，在常规的反应条件下其转化率很低。且H2S恶臭有毒，具腐蚀性，使H2S的分离在技术上和操作上都存在很大问题。在非平衡等离子体中，H2S的S-H键会被打断而离解为原子和正负离子，从而打破热力学平衡限制，获得更高的转化率。申请者采用介质阻挡放电与光催化剂（ZnS/Al2O3和CdS/Al2O3）结合的方式，在温和、低能耗条件下实现了H2S的完全分解。本项目将系统研究这一体系的反应规律，深入研究分解反应、催化本质和协同作用机制。介质阻挡放电采用线-筒式反应器结构，电极间填充负载型ZnS、CdS等光催化剂，优化反应条件，认知反应规律，从而揭示等离子体和光催化剂在H2S分解反应中的作用机制。本项目的研究将开辟一条便捷高效的H2S分解制氢新途径，丰富等离子体与催化反应理论。

硫化氢 (H2S)是一种具有毒性、恶臭的气体，必须就地无害化处理。目前采用的克劳斯法可将硫转化为低值的硫磺，而将宝贵的氢转化为水。H2S分解法可同时获得硫磺和氢气，是一条资源化利用H2S的途径。但是，受热力学平衡限制，不仅能耗高，而且难以实现完全转化。本项目采用等离子体突破平衡限制，催化剂提高能源效率，从而在低能耗条件下实现了H2S完全分解。.设计加工了适用于H2S分解反应的介质阻挡放电低温等离子体反应装置，制备了Al2O3负载的CdS和ZnS半导体催化剂，将颗粒催化剂填装于放电电极之间的间隙，实现等离子体与固体催化剂床层的偶合。研究了注入能量、反应器尺寸、稀释气种类、H2S浓度，反应气流量，氢分压，活性相负载量等因素对H2S分解反应的影响。结果表明：H2S转化率随着注入能量的增加不断提高；反应器内径的增大会导致放电区域出现弱放电从而降低效率；单原子气体Ar作为稀释气有促进H2S分解作用； H2S在等离子体下气相分解速率极快，表现为停留时间几乎不影响分解反应；氢有利于H2S分解但其促进作用未涉及催化剂表面反应。由于采用了硫化物半导体催化剂，长周期实验显示催化剂具有良好的稳定性。等离子体与负载型ZnS和CdS半导体催化剂的协同下实现了H2S完全分解，且所需能耗较低。.研究了负载型CdS和ZnS半导体催化剂与等离子体结合分解H2S的协同作用本质，提出低温等离子体与半导体催化剂协同分解H2S的作用机制和反应历程。研究发现，分布在放电间隙中的强电场和光子都可以激发CdS和ZnS半导体催化剂产生电子-空穴对，因其强氧化还原能力，可以加速第二个S-H键的断裂，从而显著提高H2S分解反应速率。据此，我们提出二者协同分解H2S的作用机制： (a) 等离子体中H2S分子中第一个S-H迅速断裂；(b)受强电场和光子激发，半导体催化剂表面产生的电子空穴对可加速第二个S-H断裂反应，不仅可以实现完全转化，而且显著降低能耗。.研制出了具有能量利用率更高的负载型双金属硫化物半导体催化剂，更有效、更充分的利用等离子体中存在的光能和电能，进一步提高H2S分解性能。发现Zn0.6Cd0.4S/Al2O3和Zn0.4Cd0.6S/Al2O3两种固溶体催化剂表现出更高的催化活性。这主要归因于两种固溶体催化剂适宜的禁带宽度、导带电位和价带电位。在负载型Cr-ZnS催化剂中，Cr/Zn比为0.20时活性最高