Un sous-produit pétrochimique malodorant transformé en énergie hydrogène utile en une seule étape


Les ingénieurs et scientifiques de l’Université Rice ont créé une manière douce pour les raffineries pétrochimiques de transformer un sous-produit malodorant en argent.

Le sulfure d’hydrogène gazeux a l’arôme incomparable d’œufs pourris. Il émane souvent des égouts, des parcs à bestiaux et des décharges, mais il est particulièrement problématique pour les raffineries, les usines pétrochimiques et d’autres industries, qui fabriquent des milliers de tonnes de gaz nocif chaque année en tant que sous-produit des processus qui éliminent le soufre du pétrole, du gaz naturel, du charbon. et d’autres produits.

Dans une étude publiée dans la revue à fort impact de l’American Chemical Society Lettres énergétiques ACS, L’ingénieur riz, physicien et chimiste Naomi Halas et ses collaborateurs décrivent une méthode qui utilise des nanoparticules d’or pour convertir le sulfure d’hydrogène en hydrogène gazeux et en soufre à forte demande en une seule étape. Mieux encore, le processus en une étape tire toute son énergie de la lumière. Les co-auteurs de l’étude sont Peter Nordlander de Rice, Emily Carter de l’Université de Princeton et Hossein Robatjazi de Syzygy Plasmonics.

« Les émissions de sulfure d’hydrogène peuvent entraîner de lourdes amendes pour l’industrie, mais la remédiation est également très coûteuse », a déclaré Halas, un pionnier de la nanophotonique dont le laboratoire a passé des années à développer des nanocatalyseurs activés par la lumière commercialement viables. « L’expression « changeur de jeu » est surutilisée, mais dans ce cas, elle s’applique. La mise en œuvre de la photocatalyse plasmonique devrait être beaucoup moins coûteuse que la remédiation traditionnelle, et elle a le potentiel supplémentaire de transformer un fardeau coûteux en un produit de plus en plus précieux.

Chaque molécule de sulfure d’hydrogène gazeux (H2S) contient une paire d’atomes d’hydrogène et un atome de soufre. Chaque molécule d’hydrogène gazeux à combustion propre (H2) – le produit de base de l’économie de l’hydrogène – contient une paire d’atomes d’hydrogène. Dans la nouvelle étude, l’équipe de Halas a parsemé la surface de grains de poudre de dioxyde de silicium de minuscules îlots d’or. Chaque île était une nanoparticule d’or d’environ 10 milliardièmes de mètre de diamètre qui interagissait fortement avec une longueur d’onde spécifique de lumière visible. Ces réactions plasmoniques créent des « porteurs chauds », des électrons à haute énergie et à courte durée de vie qui peuvent entraîner la catalyse.

Dans l’étude, Halas et ses co-auteurs ont utilisé une configuration de laboratoire et ont montré qu’une banque de lampes à LED pouvait produire une photocatalyse à porteur chaud et convertir efficacement le H2S directement en gaz H2 et en soufre. C’est un contraste frappant avec la technologie catalytique établie que les raffineries utilisent pour décomposer le sulfure d’hydrogène. Connu sous le nom de procédé Claus, il produit du soufre mais pas d’hydrogène, qu’il convertit plutôt en eau. Le processus Claus nécessite également plusieurs étapes, dont certaines nécessitent des chambres de combustion chauffées à environ 1 500 degrés Fahrenheit.

La technologie d’assainissement du sulfure d’hydrogène plasmonique a été autorisée par Syzygy Plasmonics, une start-up basée à Houston avec plus de 60 employés, dont les co-fondateurs incluent Halas et Nordlander.

Halas a déclaré que le processus d’assainissement pourrait avoir des coûts de mise en œuvre suffisamment bas et une efficacité suffisamment élevée pour devenir économique pour le nettoyage du sulfure d’hydrogène non industriel provenant de sources telles que les gaz d’égout et les déchets animaux.

« Étant donné qu’il ne nécessite que de la lumière visible et aucun chauffage externe, le processus devrait être relativement simple à mettre à l’échelle en utilisant de l’énergie solaire renouvelable ou un éclairage LED à semi-conducteurs très efficace », a-t-elle déclaré.

Le 3 octobre, Halas et Nordlander ont reçu le prestigieux prix Eni Energy Transition Award 2022 en reconnaissance de leurs efforts pour développer des catalyseurs efficaces à énergie lumineuse pour la production d’hydrogène à l’échelle industrielle.

Halas est titulaire de la chaire Stanley C. Moore de génie électrique et informatique de Rice et professeur de chimie, de bio-ingénierie, de physique et d’astronomie, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie. Nordlander est titulaire de la chaire Wiess de Rice et professeur de physique et d’astronomie, et professeur de génie électrique et informatique, de science des matériaux et de nano-ingénierie. Carter est professeur émérite Gerhard R. Andlinger de Princeton en énergie et environnement et professeur émérite de génie mécanique et aérospatial et de mathématiques appliquées et informatiques. Robatjazi est scientifique en chef chez Syzygy Plasmonics et professeur auxiliaire de chimie chez Rice.

Référence: Lou M, Bao JL, Zhou L, et al. Décomposition directe d’H2S par photocatalyse plasmonique : remédiation efficace et production durable d’hydrogènen.m. ACS Énergie Lett. 2022;7(10):3666-3674. doi : 10.1021/acsenergylett.2c01755

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