一种光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法技术

本发明专利技术涉及一种光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法，本发明专利技术的硫化氢转化分两步进行，第一步由光电催化或电催化还原质子产氢，同时在阳极上得到Fe(CN)63-/Fe(CN)64-氧化还原电对的氧化态，第二步由氧化还原电对的氧化态与硫化氢反应得到元素硫和氢离子，氢离子扩散到阴极参与第一步过程，元素硫可分离回收。本发明专利技术提供的途径可以用于分解硫化氢制取氢气和元素硫。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于硫化氢转化的方法，具体涉及一种光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法。
技术介绍
硫化氢作为一种有害气体，大量存在于煤层气，页岩气和天然气中，同时大量副产石油炼制、天然气加工和其它化学合成过程中。目前工业上主要采用克劳斯(Clauss)解决硫化氢的问题。H2S+3/2O2→SO2+H2O(1)2H2S+SO2→2H2O+3/xSx(2)传统的克劳斯工艺可以将硫化氢部分氧化生成水和硫，回收硫化氢中的硫，氢则被氧化成水而产生浪费。
技术实现思路
本专利技术是为了解决硫化氢的资源高值化的问题，提供了一种光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法及装置，既解决环境污染问题，又使硫化氢高值化，即一种变废为宝的技术。本专利技术的一种光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法分两步进行，第一步由光电催化或电催化还原质子产氢，同时在阳极上得到氧化还原电对的氧化态，第二步由氧化还原电对的氧化态穿过膜与硫化氢反应得到元素硫和氢离子，氢离子通过膜扩散到阴极参与第一步过程，元素硫可分离回收。本专利技术的技术方案为：于一由二个隔膜分隔的反应器中进行反应，二个隔膜将反应器分隔成三个互不连通的反应腔室；其中一个为其内部置有阳极的阳极腔室，第二个为其内部置有阴极的阴极腔室，第三个为通入硫化氢气体的硫化氢腔室；阳极腔室与硫化氢腔室相邻接，阳极腔室与硫化氢腔室通过第二隔膜相分隔；阴极腔室通过第一隔膜与阳极腔室和/或硫化氢腔室相分隔；于三个反应腔室中均添加有电解液，阳极和阴极均全部或部分置于电解液中；阳极和阴极经直流电源通过导线电连接；所述阴极为光阴极或普通阴极，第一步于阴极上，由光电催化或电催化还原电解液中的质子产氢，同时在阳极上得到氧化还原电对的氧化态；第二步由阳极腔室内的氧化还原电对的氧化态穿过第二隔膜到达硫化氢腔室与硫化氢反应得到元素硫和氢离子，进行元素硫分离回收；硫化氢腔室中的氢离子通过第一隔膜、或第一隔膜和第二隔膜扩散到阴极腔室内的阴极参与第一步过程。光阴极为表面负载MoS2的P-型半导体，P-型半导体的材料为Si、CdSe、CdTe，CuInxGa1-xSe2或CuInxGa1-xS2；普通阴极为表面负载MoS2的非贵金属、碳电极或导电玻璃。阳极为碳电极、导电玻璃或非贵金属电极。金属为Ti、Cu或Fe，碳电极为碳纸或石墨，导电玻璃为FTO或ITO直流电源于阳极和阴极间施加的电压为0-10伏，提供的能量可以是太阳光或人造光源或电能。直流电源于阳极和阴极间施加的电压为0伏时，其采用的阴极为光阴极，提供的能量可以是太阳光或人造光源。电解液为水溶液或甲醇溶液，其中含有Na+、K+、Li+和H+中的一种或两种以上支持阳离子，电解液中支持阳离子摩尔浓度范围是1×10-3—10mol/L；其中还含有CO32-、Cl-、SO42-、PO43-、NO3-和OH-中的一种或两种以上支持阴离子，电解液中支持阴离子摩尔浓度范围是1×10-3—10mol/L；其中仅含有H+作为支持阳离子时，支持阴离子不能为CO32-或仅含有OH-；其中仅含有OH-作为支持阴离子时，支持阳离子不能仅为H+；阳极腔室和硫化氢腔室中的电解液成份中还含有Fe(CN)63-/Fe(CN)64-，其摩尔浓度为1×10-5—10mol/L；于硫化氢腔室的电解液中通入有硫化氢气体。第一隔膜为Nafion膜或石英砂筛板；第二隔膜为石英砂筛板；Nafion膜的孔隙为0.001-10微米石英砂筛板的孔隙为10-500微米。本专利技术的光阴极主要是负载MoS2的P-型半导体，如Si，CdSe，CdTe，CuInxGa1-xSe2或CuInxGa1-xS2。本专利技术的阴极是负载MoS2的金属，碳电极或导电玻璃，如Ti，Cu，Fe，碳纸，石墨，FTO，ITO，本专利技术的阳极是非贵金属，如Ti，Cu，Fe。本专利技术的氧化还原电对是Fe(CN)63-/Fe(CN)64-。本专利技术所用的氧化还原电对有如下优点：1.Fe(CN)63-/Fe(CN)64-电对具有合适的氧化还原电势，快速氧化硫离子的同时，容易被阳极氧化；2.CN-配位的铁离子相较于未配位的铁离子具有更好的化学稳定性，不易生成氧化铁沉淀；3.CN-配位的铁离子带有负电且离子半径大，不易穿透第一隔膜到达阴极腔室进而导致效率降低；4.CN-配位的铁离子无毒，不挥发，对装置的腐蚀性低。本专利技术的一种光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的装置由阴极腔室、硫化氢腔室和阳极腔室组成。阳极腔室与硫化氢腔室相邻接，阳极腔室与硫化氢腔室通过第二隔膜相分隔；阴极腔室通过第一隔膜与阳极腔室和/或硫化氢腔室相分隔；装置的结构包含有以下五种类型：1.从左至右依次为阴极腔室、硫化氢腔室和阳极腔室。阴极腔室和硫化氢腔室之间由第一隔膜分开，硫化氢腔室和阳极腔室由第二隔膜分开。2.从左至右依次为阴极腔室、阳极腔室和硫化氢腔室。阴极腔室和阳极腔室之间由第一隔膜分开，阳极腔室和硫化氢腔室由第二隔膜分开。3.阴极腔室位于左侧，阳极腔室和硫化氢腔室并列位于右侧。位于左侧的阴极腔室和位于右侧的阳极腔室和硫化氢腔室之间由第一隔膜分开，阳极腔室和硫化氢腔室由第二隔膜分开。4.阴极腔室位于左侧，阳极腔室位于右侧，阴极腔室和阳极腔室之间由第一隔膜分开，硫化氢腔室由第二隔膜包裹置于阳极腔室中。5.阴极腔室位于左侧，硫化氢腔室位于右侧，阴极腔室和硫化氢腔室之间由第一隔膜分开，阳极腔室由第二隔膜包裹置于硫化氢腔室中。附图说明图1光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的示意图；1、阴极腔室；2.硫化氢腔室；3.阳极腔室；4.阴极；5.阳极；6.Nafion膜；7.石英砂筛板；8.硫化氢通入；9.氢气收集；10.光源；11.外加电压；12.电流表。具体实施方式为了进一步说明本专利技术，列举以下实施实例。实施例一：从左至右依次为阴极腔室、硫化氢腔室和阳极腔室(参见图1)。阴极腔室与硫化氢腔室之间用Nafion膜隔开，硫化氢腔室与阳极腔室之间用石英砂筛板隔开。在阴极腔室中加入0.2mol/L的K2SO4水溶液。在阳极腔室和硫化氢腔室中均加入含K4Fe(CN)6和K2SO4分别为0.2mol/L和0.25mol/L的水溶液。将尺寸为2cm×2cm的负载MoS2的P-型半导体CdSe置于阴极腔室中，将尺寸为2cm×2cm的FTO作为阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电催化‑化学环反应耦合分解硫化氢的方法，其特征在于：于一由二个隔膜分隔的反应器中进行反应，二个隔膜将反应器分隔成三个互不连通的反应腔室；其中一个为其内部置有阳极的阳极腔室，第二个为其内部置有阴极的阴极腔室，第三个为通入硫化氢气体的硫化氢腔室；阳极腔室与硫化氢腔室相邻接，阳极腔室与硫化氢腔室通过第二隔膜相分隔；阴极腔室通过第一隔膜与阳极腔室和/或硫化氢腔室相分隔；于三个反应腔室中均添加有电解液，阳极和阴极均全部或部分置于电解液中；阳极和阴极经直流电源通过导线电连接；所述阴极为光阴极或普通阴极，第一步于阴极上，由光电催化或电催化还原电解液中的质子产氢，同时在阳极上得到氧化还原电对的氧化态；第二步由阳极腔室内的氧化还原电对的氧化态穿过第二隔膜到达硫化氢腔室与硫化氢反应得到元素硫和氢离子，进行元素硫分离回收；硫化氢腔室中的氢离子通过第一隔膜、或第一隔膜和第二隔膜扩散到阴极腔室内的阴极参与第一步过程。

【技术特征摘要】
1.一种光电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法，其特征在于：
于一由二个隔膜分隔的反应器中进行反应，二个隔膜将反应器分隔成三个互不连通的反应腔室；
其中一个为其内部置有阳极的阳极腔室，第二个为其内部置有阴极的阴极腔室，第三个为通入硫化氢气体的硫化氢腔室；
阳极腔室与硫化氢腔室相邻接，阳极腔室与硫化氢腔室通过第二隔膜相分隔；阴极腔室通过第一隔膜与阳极腔室和/或硫化氢腔室相分隔；
于三个反应腔室中均添加有电解液，阳极和阴极均全部或部分置于电解液中；阳极和阴极经直流电源通过导线电连接；
所述阴极为光阴极或普通阴极，第一步于阴极上，由光电催化或电催化还原电解液中的质子产氢，同时在阳极上得到氧化还原电对的氧化态；
第二步由阳极腔室内的氧化还原电对的氧化态穿过第二隔膜到达硫化氢腔室与硫化氢反应得到元素硫和氢离子，进行元素硫分离回收；
硫化氢腔室中的氢离子通过第一隔膜、或第一隔膜和第二隔膜扩散到阴极腔室内的阴极参与第一步过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
光阴极为表面负载MoS2的P-型半导体，P-型半导体的材料为Si、CdSe、CdTe，CuInxGa1-xSe2或CuInxGa1-xS2；
普通阴极为表面负载MoS2的非贵金属、碳电极或导电玻璃。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：阳极为碳电极、导电玻璃或非贵金属电极。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：
金属为Ti、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李灿，韩晶峰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21