近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員鄧德會、副研究員崔曉菊團隊，在硫化氫電催化分解制備氫氣的研究中取得新進展。團隊開發出具有雙級“鎧甲”結構的整體式電極，實現了在工業安培級電流密度下高效分解硫化氫制備氫氣和單質硫。相關成果發表在《德國應用化學》上，并被選為VIP（Very Important Paper）文章。
“鎧甲”整體式電極示意圖。大連化物所供圖
硫化氫是一種常見的有毒氣體，廣泛存在于天然氣、煉油廠和化工過程中，不僅危害環境，還對設備具有腐蝕性。傳統的克勞斯工藝雖能將硫化氫轉化為單質硫，但無法實現氫氣的回收利用。相比之下，電催化分解技術能夠在溫和條件下同時實現硫化氫污染物的消除和綠色氫氣的制備。然而，硫化氫的酸腐蝕性導致非貴金屬催化活性中心在陽極氧化反應中易失活，電極骨架也容易發生結構坍塌，使得催化劑的活性與穩定性難以兼顧，這一問題在工業級大電流密度反應條件下尤為突出。因此，開發兼具高催化活性、優異結構穩定性且易于規模化制備的電極材料，以實現高通量硫化氫電催化分解制氫，具有重要的科學意義和應用價值。
鄧德會團隊長期致力于二維材料表界面調控及其在能源與環境小分子催化轉化中的應用研究，在國際上提出“鎧甲催化”概念，并在“鎧甲”催化劑結構設計和催化性能調控方面開展了系統的研究工作。
在此基礎上，團隊進一步開發出石墨烯封裝泡沫鎳骨架的雙級“鎧甲”整體式電極，該電極的一級“鎧甲”結構由石墨烯包覆泡沫鎳骨架構成，二級“鎧甲”結構則由石墨烯封裝金屬鎳納米顆粒形成。這種獨特的雙級“鎧甲”結構不僅充分發揮了石墨烯封裝對活性位點的保護作用，同時通過金屬中心對石墨烯的電子調控作用，進一步優化了石墨烯鎧甲表面的催化活性。此外，該結構還顯著增強了整體式電極的化學穩定性，從而在電催化硫化氫分解反應中實現了催化活性與穩定性的雙重提升。在1.12伏相對于可逆氫電極的電位下，該雙級“鎧甲”整體式電極的陽極氧化電流密度可達1安/平方厘米，約為泡沫鎳的5倍，并在100 毫安/平方厘米的電流密度下穩定運行300小時以上，使用壽命是泡沫鎳的10倍以上，展現出優異的工業應用潛力。在模擬天然氣脫硫的實驗中，該雙級“鎧甲”整體式電極在陽極能實現20%濃度硫化氫的完全氧化去除，獲得單質硫的同時在陰極獲得高純氫氣。
該工作為工業廢氣中硫化氫污染物的資源化利用和綠色氫能源的可持續制備提供了新思路。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202502032
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