[发明专利]用于高效析氢的结合过渡金属促进光催化的系统

说明书

本发明的目的是提供一个方法，至少部分提供，这个方法用于提高光催化剂(半导体光催化剂)的性能，通过一有机配体的使用将一金属(例如，一后过渡金属的金属离子，比如镍)粘附在半导体(光催化剂)表面上。更具体地，1,2‑乙二硫醇(EDT)作为一个将一过渡金属配合物(例如，镍(Ni²⁺离子))粘附到用于形成一硫化镉表面的半导体材料表面的优异的分子链接剂(有机配体)而起作用。所述光催化剂在从硫化氢中析氢方面具有特殊的作用。

相关申请的交叉参考

本申请作为基础并要求对美国临时专利的优先权，专利申请号为61/874,063，公开于2013年9月5日，如同其在本文中所阐述的，则通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及光催化剂材料(半导体光催化剂)和更具体地，涉及一种方法，这种方法通过一链接剂(有机配体)结合光催化剂表面和一金属(例如，镍离子或其他过渡金属离子)，用以提高光催化剂的效果，因此提供用于高效析氢和其他在光催化应用方面的用途的促进光催化的系统。

背景技术

天然气工业和炼油厂在加氢脱硫过程中产生大量的硫化氢(H₂S)。一些含硫气井可能包含超过30％的硫化氢。硫化氢具有天然腐蚀性并破坏管道的完整性。硫化氢(H₂S)引起水合物的形成和影响天然气的生产。硫化氢是有毒的，对环境有害的，因此，它必须被中和。

目前普遍进行的给原油脱硫的步骤，在原油蒸馏工艺中对重汽油进行加氢精制，回收包含在原油中比如硫化氢中的所有的硫成分。目前，将硫化氢转化成无毒的元素硫的主要工艺是克劳斯硫回收工艺。克劳斯工艺包括许多不同的步骤，这些步骤被执行用以中和有毒硫化氢。首先，将硫化氢与主机气流分离。然后，将硫化氢放入克劳斯单元，在其中，硫化氢在接下来的两个步骤中被转化。第一步是一加热阶段，在这一阶段中硫化氢会被空气部分氧化。这一步骤需要在高温(1000-1400℃)下反应炉中进行。硫被形成，但是一些硫化氢仍然未被反应，并且一些二氧化硫也被形成了。第二步骤是催化阶段，在这一阶段中被保留下来的硫化氢与二氧化硫在低温(大约200-350℃)和催化剂作用下进行反应，用以制备更多的硫。在第二步骤中需要使用催化剂，以帮助反应物以合适的速度进行反应。但是，这个反应并不能在一合适的催化剂作用下完成。由于这个原因，使用了两个或三个阶段，在这些阶段中，硫被移除了。不可避免地，少量的硫化氢保留在最后的气体中，该残留量和其他微量硫化合物一起，通常在收尾气体单元中被处理掉了。

虽然克劳斯工艺可以得到高转换率，但是在这个硫回收工艺中仍然存在许多缺陷。尤其，克劳斯工艺必须要大量的能源，因为不仅需要亚硫酸气体和硫化氢的催化反应，而且需要反复的高温和压缩。这个工艺还有许多问题，例如，亚硫酸气体的管理成本高昂。除此之外，这个工艺不能回收硫化氢的能量含量，也不能生产高要求的氢气。

催化作用是一个工艺，在反应物最后没有被改变或消耗掉的情况下，这种物质参与了改变反应物的化学转化率。这种物质作为催化剂为人们知晓，催化剂通过减少激活能量增大反应率。事实上，光催化作用是一种反应，使用光去激活一种物质，在自身不参与反应的情况下改变化学反应率。光催化剂就是这种能够通过使用光照射来改变化学反应率的物质。

一半导体光催化剂包含一能带结构，导带和价带结构被禁带分开。当一光催化剂被具有等于或大于禁带宽度的能量的光照射时，价带中的电子被激发到导带上，同时在价带中产生了电洞。被激发到导带上的电子具备比当电子处于价带中时更高的还原能力，电洞具备更高的氧化能力。

因此，光催化剂可以形成一个通过一半导体涉及光吸收的工艺，具体地讲，以粒子和生产激子的形式被分离用以进行氧化还原反应。这个工艺允许自由电子正反应(一热力学的不良反应)发生并利用光子能量进入一反应器(装置)，这个反应器可以被用于将太阳能转化为化学能。