Neuer Katalysator kann ein stinkendes Gasnebenprodukt in eine Cash Cow verwandeln

Oct 10, 2023

Von Rice University, 3. Dezember 2022

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Licht die einzige Energiequelle ist, die in dem einstufigen Prozess verwendet wird.

Ingenieure und Wissenschaftler der Rice University haben eine praktische Möglichkeit für petrochemische Raffinerien entwickelt, ein stinkendes Nebenprodukt in Bargeld umzuwandeln.

Schwefelwasserstoffgas hat den deutlichen Geruch von verrottenden Eiern. Es gelangt häufig aus der Kanalisation, auf Lagerplätzen und auf Mülldeponien, ist jedoch besonders problematisch für Raffinerien, petrochemische Anlagen und andere Industriezweige. Tausende Tonnen des schädlichen Gases entstehen jährlich als Nebenprodukt von Prozessen, die an diesen Orten Schwefel aus Erdöl, Erdgas, Kohle und anderen Produkten entfernen.

Naomi Halas, eine Rice-Ingenieurin, Physikerin und Chemikerin, und Kollegen beschreiben in einer Studie, die kürzlich in der Zeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht wurde, einen Prozess, bei dem Goldnanopartikel verwendet werden, um Schwefelwasserstoff in einem einzigen Schritt in Schwefel und das dringend benötigte Wasserstoffgas umzuwandeln . Noch besser: Der einstufige Prozess benötigt lediglich Licht als Energiequelle. Zu den Co-Autoren der Studie gehören Hossein Robatjazi von Syzygy Plasmonics, Emily Carter von der Princeton University und Peter Nordlander von der Rice University.

Eine Illustration des lichtbetriebenen, einstufigen Sanierungsprozesses für Schwefelwasserstoffgas, der durch einen an der Rice University entwickelten Gold-Photokatalysator ermöglicht wird. Bildnachweis: Halas Group/Rice University

„Schwefelwasserstoff-Emissionen können hohe Geldstrafen für die Industrie nach sich ziehen, aber die Sanierung ist auch sehr teuer“, sagte Halas, ein Nanophotonik-Pionier, dessen Labor jahrelang kommerziell nutzbare lichtaktivierte Nanokatalysatoren entwickelt hat. „Der Ausdruck ‚Game-Changer‘ wird überstrapaziert, aber in diesem Fall trifft er zu. Die Implementierung der plasmonischen Photokatalyse sollte weitaus kostengünstiger sein als die herkömmliche Sanierung und birgt das zusätzliche Potenzial, eine kostspielige Belastung in ein immer wertvolleres Gut zu verwandeln.“

Naomi Halas von der Rice University ist Ingenieurin, Chemikerin, Physikerin und Pionierin auf dem Gebiet lichtaktivierter Nanomaterialien. Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University

Each molecule of hydrogen sulfide gas (H2S) contains two hydrogen atoms and one sulfur atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Atom. Jedes Molekül sauber brennenden Wasserstoffgases (H2), dem Hauptrohstoff der Wasserstoffwirtschaft, enthält zwei Wasserstoffatome. Halas‘ Team bestreute in der neuen Studie die Oberfläche von Körnern aus Siliziumdioxidpulver mit winzigen Goldinseln. Jede Insel bestand aus einem zehn Milliardstel Meter großen Gold-Nanopartikel, das stark mit einer bestimmten Wellenlänge des sichtbaren Lichts interagierte. Diese plasmonischen Reaktionen erzeugen „heiße Träger“, das sind kurzlebige, hochenergetische Elektronen, die die Katalyse vorantreiben können.

In the study, Halas and co-authors used a laboratory setup and showed a bank of LED lights could produce hot carrier photocatalysis and efficiently convert H2S directly into H2 gas and sulfur. That’s a stark contrast to the established catalytic technology refineries use to break down hydrogen sulfide. Known as the Claus process, it produces sulfur but no hydrogen, which it instead converts into water. The Claus process also requires multiple steps, including some that require combustion chambers heated to about 1,500 degrees FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit.

Die plasmonische Schwefelwasserstoffsanierungstechnologie wurde von Syzygy Plasmonics lizenziert, einem in Houston ansässigen Startup-Unternehmen mit mehr als 60 Mitarbeitern, zu dessen Mitbegründern Halas und Nordlander gehören.

Halas sagte, dass der Sanierungsprozess am Ende ausreichend niedrige Umsetzungskosten und eine ausreichend hohe Effizienz aufweisen könnte, um für die Reinigung von nichtindustriellem Schwefelwasserstoff aus Quellen wie Abwassergas und tierischen Abfällen wirtschaftlich zu werden.

„Angesichts der Tatsache, dass nur sichtbares Licht und keine externe Erwärmung erforderlich sind, sollte sich der Prozess relativ einfach mit erneuerbarer Solarenergie oder hocheffizienter Festkörper-LED-Beleuchtung erweitern lassen“, sagte sie.

Referenz: „Direct H2S Decomposition by Plasmonic Photocatalysis: Efficient Remediation plus Sustainable Hydrogen Production“ von Minghe Lou, Junwei Lucas Bao, Linan Zhou, Gopal Narmada Naidu, Hossein Robatjazi, Aaron I. Bayles, Henry O. Everitt, Peter Nordlander, Emily A . Carter und Naomi J. Halas, 30. September 2022, ACS Energy Letters.DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01755

Die Studie wurde von der Welch Foundation, dem Air Force Office of Scientific Research und der Defense Threat Reduction Agency finanziert.

Am 3. Oktober wurde Halas und Nordlander der prestigeträchtige Eni Energy Transition Award 2022 als Anerkennung für ihre Bemühungen zur Entwicklung effizienter lichtbetriebener Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab verliehen.

Halas ist Rices Stanley C. Moore-Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Professor für Chemie, Bioingenieurwesen, Physik und Astronomie sowie Materialwissenschaften und Nanotechnik. Nordlander ist Rices Wiess-Lehrstuhl und Professor für Physik und Astronomie sowie Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Materialwissenschaften und Nanotechnik. Carter ist Princetons Gerhard R. Andlinger-Professor für Energie und Umwelt am Andlinger Center for Energy and the Environment, leitender strategischer Berater für Nachhaltigkeitswissenschaft am Princeton Plasma Physics Laboratory und Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik sowie für angewandte und Computermathematik. Robatjazi ist Chefwissenschaftler bei Syzygy Plasmonics und außerordentlicher Professor für Chemie bei Rice.