Un nouveau catalyseur peut transformer le sulfure d’hydrogène malodorant en une vache à lait

Oct 14, 2023

HOUSTON – (31 octobre 2022) – Les ingénieurs et scientifiques de l’Université Rice ont créé un moyen simple pour les raffineries pétrochimiques de transformer un sous-produit malodorant en espèces.

Le gaz sulfuré d’hydrogène 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 produisent des milliers de tonnes de gaz nocif chaque année en tant que sous-produit des processus d'élimination du soufre du pétrole, du gaz naturel et du charbon. et d'autres produits.

Dans une étude publiée dans la revue à fort impact ACS Energy Letters de l'American Chemical Society, l'ingénieur Rice, physicienne 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 très demandés en une seule étape. . Mieux encore, le processus en une seule étape tire toute son énergie de la lumière. Les co-auteurs de l'étude comprennent 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 dépollution 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 « changer la donne » est galvaudée, mais dans ce cas-ci, elle s'applique. La mise en œuvre de la photocatalyse plasmonique devrait être beaucoup moins coûteuse que la remédiation traditionnelle, et elle présente le potentiel supplémentaire de transformer un fardeau coûteux en un bien 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 (H2) à combustion propre – 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 des 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 interagirait fortement avec une longueur d'onde spécifique de lumière visible. Ces réactions plasmoniques créent des « porteurs chauds », des électrons de courte durée et de haute énergie qui peuvent piloter la catalyse.

Dans l’étude, Halas et ses co-auteurs ont utilisé une configuration de laboratoire et ont montré qu’une banque de lumières LED pouvait produire une photocatalyse de porteurs chauds et convertir efficacement le H2S directement en gaz H2 et en soufre. Cela contraste fortement 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 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 plasmonique d'assainissement du sulfure d'hydrogène a été autorisée par Syzygy Plasmonics, une startup basée à Houston comptant 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 faibles 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 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 Eni Energy Transition Award 2022 en reconnaissance de leurs efforts visant à développer des catalyseurs efficaces alimentés par la lumière pour la production d'hydrogène à l'échelle industrielle.

Halas est professeur Stanley C. Moore de génie électrique et informatique à 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, ainsi que professeur de génie électrique et informatique, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie. Carter est professeur Gerhard R. Andlinger d'énergie et d'environnement à Princeton au Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement, conseiller stratégique principal pour la science du développement durable au laboratoire de physique des plasmas de Princeton et professeur de génie mécanique et aérospatial et de mathématiques appliquées et informatiques. Robatjazi est scientifique en chef chez Syzygy Plasmonics et professeur adjoint de chimie à Rice.