科学通报 | 变废为宝：光伏驱动新技术让剧毒硫化氢化身绿色氢能

西南石油大学新能源与材料学院唐春、周莹教授等人开发了具有良好电催化活性与稳定性的Ni3S2/NF催化材料，构建了光伏-电催化硫化氢直接分解系统，实现了低能耗氢气脱硫。

在“双碳”目标的引领下，我国清洁能源发展驶入快车道。截至2024年上半年，可再生能源装机已占我国发电总装机的53.8%，绿电成为能源系统的主力军已成定局。然而，风电、光伏的波动性也让绿电并网消纳面临挑战——如何将不稳定的绿电高效转化为可存储的能源，成为当前能源科技攻关的关键。

硫化氢是一种具有强腐蚀性的剧毒气体，广泛存在于天然气开采和石化加工过程中。全球含H₂S的酸性气田储量超过736万亿立方米，约占世界天然气总储量的40%。我国四川盆地、渤海湾等地区部分气藏的H₂S含量甚至高达60%~90%，这些酸性气藏的开发必须经过严格的净化处理。

目前，石化行业普遍采用克劳斯工艺处理硫化氢，将其转化为硫磺。这项技术虽有百年历史，却存在明显短板：反应能耗高、产生有毒的二氧化硫尾气，更重要的是，它只回收了硫资源，却浪费了硫化氢中潜在的氢能。

电催化技术为硫化氢的资源化利用开辟了新途径。与传统的电解水制氢需要1.23 V理论电压不同，电催化硫化氢分解的理论电压仅为0.35 V，能耗大幅降低。这意味着，用更少的电就能产出同样多的氢气。

在此，本文开发了具有良好电催化活性与稳定性的Ni3S2/NF催化材料，构建了光伏-电催化（PV-EC）H2S直接分解系统，实现了低能耗制氢脱硫。系统采用自行封装的单晶硅光伏电池组件提供电能，设计了高效的电解反应器件，以Ni3S2/NF电催化材料同时作为阴极和阳极，碱性电解液吸收H2S气体储存在碱液罐中，使用蠕动泵将电解液送至电解器件，电解产生的H2被收集于储氢罐中。在100 mW/cm2的光强下进行连续电解制氢性能测试，能稳定运行10 h以上，氢气产量约为1 L/天，氢气的平均法拉第效率为99.9%，平均STH达6.6%，系统制氢能耗仅为1.89 kW h Nm−3 H2，实现利用光伏发电将H2S直接电解为氢气和硫化工产品。此外，通过原位拉曼测试证明电解过程中阳极S2−/HS−向多硫化物的转化。该工作将光伏发电与电催化H2S直接分解结合运行实现低能耗分解H2S制氢脱硫，为能源可持续发展提供有效策略。

图1Ni3S2/NF的结构表征组图。(a) Ni3S2/NF催化材料原位生长制备工艺示意图; (b) 泡沫镍基底的SEM图; (c~g) Ni3S2/NF-5 h，Ni3S2/NF-7 h，Ni3S2/NF-9 h，Ni3S2/NF-11 h和Ni3S2/NF-13 h的SEM图; (h) Ni3S2纳米结构的TEM图; (i) Ni3S2纳米结构的HRTEM图; (j) Ni3S2/NF的EDS元素分析图

图2Ni3S2/NF的成分表征组图。(a) Ni3S2/NF的XRD图谱; (b) Ni3S2/NF的拉曼光谱图; (c, d) Ni3S2/NF的Ni 2p和S 2p的XPS图谱

图3Ni3S2/NF的电化学性能组图。(a) 电催化H2S转化的原理图; (b) 碱性条件下SOR，HER和OER的Pourbaix图; (c) 不同催化材料的SOR极化曲线对比; (d) 在Ni3S2/NF-11 h电极上SOR与OER极化曲线对比; (e) Ni3S2/NF-11 h电极在不同的电解液中提供不同电流密需要的电势; (f) 不同催化材料在不同电解液中的HER极化曲线对比; (g) 不同催化材料的电化学阻抗图谱; (h) 不同Ni3S2/NF材料在0.167 V时的电容电流随扫描速度的变化规律(△j0=ja−jc); (i) Ni3S2/NF-11 h在30 mA cm−2下进行200 h耐久性测试; (j) 200 h稳定性测试前后Ni3S2/NF-11 h的SOR极化曲线

图4电催化H2S直接分解产物分析图组。(a) 电流密度为100 mA cm−2恒流测试条件下氢气产率和法拉第效率; (b) 将不同反应时间电解液稀释100倍后的紫外可见光谱(插图：阳极电解液随时间延长的照片); (c) 阳极电解液酸化处理后收集的产物XRD谱图(插图：收集到的S粉产物照片); (d) 不同电位下Ni3S2/NF电极在1.0 mol L−1Na2S+1 mol L−1NaOH溶液中250~2800 cm−1范围内的原位拉曼光谱

图5 光伏-电催化H2S直接分解制氢脱硫系统性能研究图组。(a) 光伏-电催化H2S直接分解制氢脱硫系统实验装置图; (b) 电解器件组装结构图; (c) 在1 mol L−1Na2S+1 mol L−1NaOH溶液中Ni3S2/NF电极的SOR多电流过程图; (d) 在1 mol L−1Na2S+1 mol L−1 NaOH溶液中Ni3S2/NF电极的HER多电流过程图; (e) 电解器件中SOR+HER体系与OER+HER体系极化曲线对比，(f) 系统运行10 h内的氢气产量情况以及该过程的法拉第效率; (g) 自行封装的太阳能光伏板J-V曲线与SOR+HER体系的极化曲线; (h) 不同光电流下系统的STH; (i) 在开关光照射下系统的电流情况

图6 油气开采利用与新能源融合发展愿景图

文章信息

杜永红, 唐春, 吴梦南, 段超, 白宇, 黄峥越, 周莹. 低能耗光伏电解硫化氢分解制氢脱硫. 科学通报, 2026, 71(2): 529–541

Du Y, Tang C, Wu M, Duan C, Bai Y, Huang Z, Zhou Y. Low-energy consumption in the photovoltaic electrocatalytic desulfurization of hydrogen sulfide (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(2): 529–541, doi: 10.1360/TB-2024-1389

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