温和条件下天然气中H2S电化学增值转化为硫酸盐的创新方法

研究人员针对天然气中H2S污染物的高能耗处理与低附加值产物问题，开发了一种基于原位阴极生成H2O2的电化学深度氧化方法。该技术实现了H2S(100,000 ppm)高效去除(<15 ppm)与高值K2SO4生产(选择性>70%)，通过构建100-cm2流动反应器实现100小时稳定运行。生命周期评估证实该策略兼具环境友好性与经济可行性，为天然气脱硫提供了革新方案。

　　

天然气作为清洁能源的重要组成部分，其开采过程中常伴随高浓度硫化氢(H₂S)污染，不仅腐蚀管道设备、毒化催化剂，更对环境和人体健康构成严重威胁。传统克劳斯工艺虽能处理H₂S，但需在900°C以上高温运行，碳足迹显著且仅产出中等价值的单质硫。电化学阳极硫离子氧化(ASOR)虽可在常温操作，却同样面临产物附加值低的局限。如何实现H₂S的温和条件深度氧化，同步完成污染物治理与高值化学品生产，成为能源与环境交叉领域的重大挑战。

清华大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过巧妙耦合电化学双电子氧还原反应(2e^- ORR)与原位生成的H₂O₂氧化能力，开发出天然气中H₂S电化学增值转化新策略。该工作首先通过热力学计算验证H₂O₂在碱性条件下深度氧化H₂S至SO₄^2-的可行性，随后采用硝酸氧化改性的碳纳米管(OCNT)作为高效2e^- ORR电催化剂，在H型电解槽中初步验证概念可行性。研究团队创新性地设计三相反界面结构的流动反应器，通过提升界面H₂O₂浓度至1.04 wt%(较体相浓度高86倍)，成功解决硫代硫酸盐(S₂O₃^2-)中间体氧化动力学缓慢的瓶颈问题。

关键技术方法包括：(1)构建三相反界面流动反应器增强传质效率；(2)开发OCNT催化剂实现90%以上H₂O₂法拉第效率；(3)采用双极膜(BPM)分隔反应区间防止硫损失；(4)建立甲基蓝分光光度法与离子色谱联用的硫物种定量分析方法；(5)通过COMSOL模拟可视化界面浓度梯度。

研究结果部分显示：在"化学氧化验证"阶段，1 wt%商业H₂O₂可实现H₂S完全转化与100% SO₄^2-选择性，揭示高浓度氧化剂对深度氧化的必要性。电化学测试表明OCNT催化剂在0.2V vs RHE下展现优异2e^- ORR活性，其羧基官能团促进关键中间体OOH*形成。4-cm²流动反应器在200 mA电流下实现90% H₂S转化率与80%电子利用效率，较H型电解槽性能提升3倍。规模化100-cm²系统处理10% H₂S/CH₄混合气(300 ml/min)时，保持93%转化率与72% K₂SO₄选择性，100小时连续运行产出397克高纯产物。通过固体电解质反应器改造，该技术进一步拓展至1.4 wt% H₂SO₄溶液生产，50小时测试显示30%电子效率。

生命周期评估(LCA)显示，采用风电驱动、优化KOH浓度后，目标案例的K₂SO₄生产全球变暖潜能(GWP)降至0.4 kg CO₂e/kg，优于传统工艺。技术经济分析(TEA)表明在50 mA/cm²电流密度与84%电子效率条件下，K₂SO₄生产成本0.44/kg，低于市场价0.5/kg，具备商业化潜力。该研究不仅为天然气脱硫提供了环境友好的解决方案，更开创了电化学原位氧化剂增值转化污染物的新范式，对工业废气资源化处理具有重要指导意义。