Khí hydro sunfua (Hydrogen sulfide) có mùi đặc trưng không lẫn được của trứng thối. Khí hydro Sunfua thường bốc lên từ cống rãnh, kho dự trữ và bãi chôn lấp, nhưng đặc biệt là một vấn đề rất lớn đối với các nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu và các ngành công nghiệp khác, nơi tạo ra hàng nghìn tấn khí độc hại mỗi năm như một sản phẩm phụ trong các quá trình loại bỏ lưu huỳnh khỏi dầu mỏ, khí đốt tự nhiên, than đá và các nguyên vật liệu thô khác.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters của Hiệp hội Hóa học Mỹ, GS Naomi Halas, nhà vật lý và hóa học, kỹ sư của Đại học Rice và các cộng sự đã giới thiệu phương pháp mới, sử dụng các hạt nano vàng chuyển đổi hydro sunfua thành khí hydro và lưu huỳnh có nhu cầu cao chỉ bằng một bước. Ưu điểm đặc biệt là quy trình phân tách khí hydro sunfua một bước này lấy năng lượng hoàn toàn từ ánh sáng. Những đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm GS Peter Nordlander, nhà vật lý và hóa học nano của Rice , Emily Carter của Đại học Princeton và Hossein Robatjazi của Syzygy Plasmonics .

GS Halas, nhà công nghệ lý hóa tiên phong về phương pháp quang học nano, đã dành nhiều năm phát triển các chất xúc tác nano hoạt hóa bằng ánh sáng khả thi về mặt thương mại cho biết: “Phát thải hydro sunfua có thể dẫn đến tiền phạt rất lớn cho ngành công nghiệp. “Cụm từ “kẻ thay đổi trò chơi” thường bị sử dụng quá mức, nhưng trong trường hợp này, khẩu ngữ này áp dụng phù hợp. Việc thực hiện xúc tác quang plasmonic sẽ giảm chi phí hơn nhiều so với những phương pháp xử lý truyền thống và có thêm tiềm năng biến chi phi tốn kém thành sản phẩm ngày càng có giá trị ”.

Mỗi phân tử khí hydro sunfua (H2S) chứa một cặp nguyên tử hydro và một nguyên tử lưu huỳnh. Mỗi phân tử khí hydro cháy hoàn toàn (H₂), nguyên liệu chủ yếu của  nền kinh tế hydro  chứa một cặp nguyên tử hydro.

Trong nghiên cứu mới, nhóm nhà khoa học của GS Halas chấm lên bề mặt các hạt bột silicon dioxide với những hòn đảo vàng nhỏ. Mỗi đảo là một nhóm hạt nano vàng có bề ngang khoảng 10 phần tỷ mét sẽ tương tác mạnh với một bước sóng cụ thể của ánh sáng thấy được. Những phản ứng plasmonic này tạo ra “hạt tải điện nóng”, các điện tử năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn có thể thúc đẩy xúc tác.

 Sơ đồ minh họa về quy trình xử lý một bước, sử dụng ánh sáng khí hydro sunfua với chất xúc tác quang vàng tại Đại học Rice. Ảnh: Halas Group / Rice University

Trong công trình nghiên cứu, GS Halas và các đồng tác giả sử dụng trang thiết bị thiết lập trong phòng thí nghiệm và cho thấy, một dãy đèn LED tạo ra chất xúc tác quang trên vật chất mang nóng, chuyển H₂S trực tiếp thành khí H2 và lưu huỳnh nhanh chóng và hiệu quả.

Phương pháp này hoàn toàn trái ngược với quy trình của các nhà máy lọc dầu, sử dụng công nghệ xúc tác đã được xác lập trong công nghiệp để phân hủy hydro sunfua. Được gọi là  quy trình Claus, phương pháp này tạo ra lưu huỳnh nhưng không có hydro, hydro đã bị chuyển hóa thành nước. Quy trình Claus cũng yêu cầu nhiều bước, trong đó một số bước yêu cầu buồng đốt phải được gia nhiệt đến khoảng 1.500 độ F.

Công nghệ xử lý bằng hydro sulfua plasmonic đã được cấp phép theo đệ trình công ty Syzygy Plasmonics, sở hữu công nghệ này. Syzygy Plasmonics là công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Houston với hơn 60 nhân viên, các nhà đồng sáng lập có GS Halas và Nordlander.

GS Halas cho biết quá trình xử lý có thể được thực hiện hoàn chỉnh với chi phí thực hiện thấp và hiệu quả cao, có đủ hiệu quả kinh tế để làm sạch hydro sunfua phi công nghiệp từ các nguồn như khí thải và chất thải động vật.

Bà nói: “Do quy trình chỉ yêu cầu ánh sáng nhìn thấy và không cần hệ thống gia nhiệt bên ngoài, công nghệ này tương đối đơn giản để có tể mở rộng quy mô, sử dụng nguồn năng lượng tái tạo với đèn LED trạng thái rắn hiệu quả cao.

Ngày 3/10, GS Halas và GS Nordlander được trao Giải thưởng Chuyển tiếp Năng lượng Eni 2022 danh giá, ghi nhận những nỗ lực của cả hai trong những nghiên cứu phát triển các chất xúc tác, hoạt động bằng năng lượng nhẹ hiệu quả để sản xuất hydro quy mô công nghiệp. 

Halas là GS Kỹ thuật Điện và Máy tính Stanley C. Moore của Rice, đồng thời là giáo sư hóa học, kỹ thuật sinh học, vật lý và thiên văn học, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano. Nordlander là Chủ tịch Wiess của Rice và là GS Vật lý và Thiên văn học, đồng thời là GS kỹ thuật điện và máy tính, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano. Carter là GS danh dự Gerhard R. Andlinger của Princeton về Năng lượng và Môi trường, GS danh dự về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ cũng như toán học ứng dụng và tính toán. Robatjazi là nhà khoa học chính của Syzygy Plasmonics và là PGS hóa học tại Rice.