Neuer Katalysator kann stinkenden Schwefelwasserstoff in eine Cash-Cow verwandeln

Oct 05, 2023

HOUSTON – (31. Okt. 2022) – Ingenieure und Wissenschaftler der Rice University haben eine praktische Möglichkeit für petrochemische Raffinerien geschaffen, ein stinkendes Nebenprodukt in Bargeld umzuwandeln.

Schwefelwasserstoffgas hat den unverkennbaren Geruch von faulen Eiern. Es gelangt häufig aus Abwasserkanälen, Lagerhallen und Mülldeponien, ist jedoch besonders problematisch für Raffinerien, petrochemische Anlagen und andere Industrien, die jedes Jahr Tausende Tonnen des schädlichen Gases als Nebenprodukt von Prozessen zur Entfernung von Schwefel aus Erdöl, Erdgas und Kohle erzeugen und andere Produkte.

In einer in der renommierten Fachzeitschrift ACS Energy Letters der American Chemical Society veröffentlichten Studie beschreiben die Rice-Ingenieurin, Physikerin und Chemikerin Naomi Halas und ihre Mitarbeiter eine Methode, bei der Goldnanopartikel verwendet werden, um Schwefelwasserstoff in einem einzigen Schritt in dringend benötigtes Wasserstoffgas und Schwefel umzuwandeln . Besser noch: Der einstufige Prozess bezieht seine gesamte Energie aus Licht. Zu den Co-Autoren der Studie gehören Peter Nordlander von Rice, Emily Carter von der Princeton University und Hossein Robatjazi von Syzygy Plasmonics.

„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.“

Jedes Molekül Schwefelwasserstoffgas (H2S) enthält ein Paar Wasserstoffatome und ein Schwefelatom. Jedes Molekül sauber brennenden Wasserstoffgases (H2) – dem Hauptrohstoff der Wasserstoffwirtschaft – enthält ein Paar Wasserstoffatome. In der neuen Studie übersäte Halas‘ Team die Oberfläche von Körnern aus Siliziumdioxidpulver mit winzigen Goldinseln. Jede Insel war ein Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 10 Milliardstel Metern, das stark mit einer bestimmten Wellenlänge des sichtbaren Lichts interagierte. Diese plasmonischen Reaktionen erzeugen „heiße Ladungsträger“, kurzlebige, hochenergetische Elektronen, die die Katalyse vorantreiben können.

In der Studie verwendeten Halas und Co-Autoren einen Laboraufbau und zeigten, dass eine Reihe von LED-Leuchten eine Photokatalyse mit heißen Trägern erzeugen und H2S effizient direkt in H2-Gas und Schwefel umwandeln kann. Das steht in krassem Gegensatz zu der etablierten katalytischen Technologie, die Raffinerien zum Abbau von Schwefelwasserstoff einsetzen. Beim sogenannten Claus-Prozess entsteht Schwefel, aber kein Wasserstoff, der stattdessen in Wasser umgewandelt wird. Der Claus-Prozess erfordert außerdem mehrere Schritte, darunter einige, die auf etwa 1.500 Grad Fahrenheit erhitzte Brennkammern erfordern.

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.

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.

Die Forschung wurde von der Welch Foundation (C-1220, C-1222), dem Air Force Office of Scientific Research (FA9550-15-1-0022) und der Defense Threat Reduction Agency (HDTRA 1-16-1-0042) unterstützt. .

„Direkte H2S-Zersetzung durch plasmonische Photokatalyse: Effiziente Sanierung plus nachhaltige Wasserstoffproduktion“ | ACS-Energiebriefe | DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01755

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

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01755

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/10/1024_H2S-ill-lg.jpg BILDUNTERSCHRIFT: Eine Illustration des lichtbetriebenen, einstufigen Sanierungsprozesses für Schwefelwasserstoffgas, der durch a ermöglicht wird Gold-Photokatalysator, hergestellt an der Rice University. (Bild mit freundlicher Genehmigung der Halas Group/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/10/1024_H2S-nh30-lg.jpeg BILDUNTERSCHRIFT: Naomi Halas von der Rice University ist Ingenieurin, Chemikerin, Physikerin und Pionierin auf dem Gebiet lichtaktivierter Nanomaterialien . (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)

Halas und Nordlander gewinnen den prestigeträchtigen Eni Energy Transition Award – 8. August 2022https://news.rice.edu/news/2022/halas-nordlander-win-prestigious-eni-energy-transition-award

Bei lichtaktivierten Nanokatalysatoren kommt es auf die Form an – 18. September 2020https://news.rice.edu/2020/09/18/shape-matters-for-light-activated-nanocatalysts

Vergasung wird grün – 10. Januar 2020https://news.rice.edu/2020/01/10/gasification-goes-green

Fluorkohlenstoffbindungen sind für lichtbetriebene Nanokatalysatoren nicht geeignet – 22. Juni 2020https://news.rice.edu/news/2020/fluorcarbon-bonds-are-no-match-light-powered-nanocatalyst

Licht macht Rice U.-Katalysator effektiver – 4. Oktober 2018https://news2.rice.edu/2018/10/04/light-makes-rice-u-catalyst-more-efficient-2/

Die Antennenreaktorkatalysatoren von Rice bieten das Beste aus beiden Welten – 18. Juli 2016https://news2.rice.edu/2016/07/18/rices-antenna-reactor-catalysts-offer-best-of-both-worlds/

Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report regelmäßig zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice verfügt über hoch angesehene Fakultäten für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und ist die Heimat des Baker Institute for Public Policy. Mit 4.240 Studenten im Grundstudium und 3.972 Studenten im Aufbaustudium beträgt das Verhältnis von Studenten zu Fakultät an Rice knapp 6 zu 1. Sein Wohnhochschulsystem baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur einer der Gründe, warum Rice im Princeton Review auf Platz 1 für viele Interaktionen zwischen Rasse und Klasse und auf Platz 1 für Lebensqualität steht. Rice wird auch von Kiplingers Personal Finance als beste Privatuniversität eingestuft.