[发明专利]类水滑石衍生复合氧化物材料的应用

说明书

本发明公开了类水滑石衍生复合氧化物材料的应用。本发明提供的类水滑石衍生复合氧化物应用于催化分解硫化氢或酸性气体中硫化氢制取氢气和单质硫中。本发明提供的一种催化分解硫化氢制取氢气和单质硫的方法，包括如下步骤：采用所述类水滑石衍生复合氧化物催化所述硫化氢或所述酸性气体中硫化氢进行分解反应，即得到氢气和单质硫。本发明类水滑石衍生复合氧化物材料结构稳定，在催化时具有良好的热稳定性、耐硫性、耐温度波动、抗高温烧结、抗热震荡性能；水滑石衍生复合氧化物在化工行业酸性气H₂S催化分解反应中表现出优异的催化活性，可获得50％的H₂产率(800℃)。

技术领域

本发明涉及类水滑石衍生复合氧化物材料的应用，具体涉及类水滑石衍生复合氧化物材料在催化分解硫化氢制取氢气和单质硫中的应用，属于酸性气治理和资源回收领域。

背景技术

石油化工、煤化工和天然气化工的生产过程中会产生大量的硫化氢酸性气体。硫化氢是一种剧毒、恶臭的无色气体，也是一种神经毒剂。其致毒作用的主要器官是中枢神经系统和呼吸系统，同时也可对心脏等器官造成损害；对毒作用最敏感的组织是脑和粘膜等接触部位。据估算，我国化工行业每年会产生1200万吨以上的酸性气。目前，针对化工行业H₂S酸性气治理，采用传统的克劳斯(Claus)工艺方法处理硫化氢，将其氧化为单质硫和水：

H₂S+3/2O₂→SO₂+H₂O

2H₂S+SO₂→3/xS_x+2H₂O

虽然克劳斯工艺可以实现硫化氢无害化，但却使具有更高附加值的氢转化为水，浪费了宝贵的资源。氢能是未来最有希望替代化石能源的燃料，目前工业用氢气都是由轻烃、煤、天然气及甲醇等通过重整或电解水生产，成本高、价格贵，难以作为燃料被广泛使用。因此，若能将硫化氢分解，则不仅可以使硫化氢无害化，而且可以得到高附加值的氢气和单质硫。并且，在实现氢能在石油加工过程的循环利用的同时，还可以减少传统烃类重整制氢带来的大量二氧化碳排放，具有很大的现实意义。

然而，硫化氢的热力分解反应为强吸热反应，且受热力学平衡限制，在低温下只有很低的平衡转化率(1000℃时硫化氢的转化率仅为20％，1200℃的转化率为38％)。催化分解硫化氢不仅可以有效提高氢气和硫磺的产率，还可以降低反应温度，是一种操作简单稳定，可被广泛应用的方式。目前，硫化氢分解催化剂主要集中在金属硫化物(如FeS，CuS和NiS)，金属二硫化物(如MoS₂，WS₂，FeS₂，CoS₂和NiS₂)等。但目前，这些催化剂都存在活性普遍不高(770℃时氢气收率为20％)。因此，开发一种制备且操作简单，在较高温度条件下能高效分解硫化氢制取氢气和硫磺的催化剂和催化方法具有重要意义。

水滑石是极少数可以存在于自然界中的一种层状结构的阴离子黏土材料，其结构类似于水镁石Mg(OH)₂，它是由带正电荷的金属氢氧化物层和层间填充带负电荷的阴离子构成的化合物。类水滑石化合物(Layered Double Hydroxides,LDHs)是指水滑石中的Mg、Al被其它金属离子取代后的化合物，它在结构上与HT相同。LDHs的化学组成具有如下通式：[M^II_1-xM^III_x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，其中M^II是位于层板二价金属离子，M^III是位于层板上三价金属离子，A^n-为层间阴离子(无机和有机阴离子)。