Исследователи использовали метод с низким уровнем выбросов для извлечения водорода и графена из отходов пластмасс. По их словам, это не только решает экологические проблемы, такие как загрязнение пластиком и производство парниковых газов, но и стоимость побочного продукта графена может компенсировать затраты на производство водорода. Водород можно использовать для питания автомобилей, производства электроэнергии и обогрева домов и предприятий. Водород содержит больше энергии на единицу веса, чем ископаемое топливо, что важно с экологической точки зрения, поскольку основной причиной глобальных выбросов парниковых газов является углекислый газ, выделяющийся при сжигании ископаемого топлива.
Более 95% продаваемого в настоящее время водорода синтезируется посредством парового риформинга метана, в результате чего на тонну водорода образуется 11 тонн (12 тонн) углекислого газа, подавляющее большинство которого представляет собой серый водород. Для сравнения, «зеленый водород», производимый с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, ветер или вода, для разделения воды на ее элементы, стоит дорого: около 5 долларов за два фунта (около одного килограмма) водорода.
Исследователи из Университета Райса теперь разработали способ получения ценного водорода и графена из отходов пластика с использованием метода с низким уровнем выбросов и без катализаторов, который потенциально может окупиться.
«В этой работе мы преобразуем пластиковые отходы, в том числе смешанные пластиковые отходы, которые не нужно сортировать по типу или очищать, в высокопроизводительный водород и ценный графен», — сказал Кевин Висс, первый автор исследования. «Если бы произведенный графен продавался всего за 5% от текущей рыночной стоимости – скидка 95%! – чистый водород можно было бы производить бесплатно».
В процессе парового риформинга метана высокотемпературный пар (от 1292°F до 1832°F/от 700°C до 1000°C) используется для производства водорода из источников метана, таких как природный газ. Метан реагирует с водяным паром под действием катализатора с образованием водорода, оксида углерода и диоксида углерода.
Джеймс Тур, один из авторов исследования, сказал: «Основной формой водорода, используемой в настоящее время, является «серый» водород, который производится путем паровой конверсии метана, метода, который производит большое количество углекислого газа. Спрос на водород, вероятно, резко возрастет в ближайшие десятилетия, поэтому, если мы действительно хотим достичь нулевых выбросов к 2050 году, мы больше не сможем производить водород, используя методы, существующие на сегодняшний день».
Пластиковые отходы сохраняются в окружающей среде в течение длительного периода времени, угрожая дикой природе и распространяя токсины среди животных и людей. В текущем исследовании ученые подвергли пластиковые отходы быстрому джоулевому нагреву в течение примерно 4 секунд. Когда температура повышается до 3100 Кельвинов, водород в пластике испаряется, оставляя после себя графен — легкий и прочный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. Графен можно использовать в таких областях, как электроника, хранение энергии, датчики, покрытия, композитные материалы и биомедицинские устройства, и это лишь некоторые из его применений.
«Когда мы впервые обнаружили мгновенное джоулевое нагревание и применили его для переработки пластиковых отходов в графен, мы наблюдали образование большого количества летучих газов, которые выбрасываются из реактора», — сказал Висс. «Мы хотели знать, что это такое, подозревая, что это смесь небольших углеводородов и водорода, но у нас не было инструментов для изучения их точного состава».
При финансовой поддержке Инженерного корпуса армии США исследователи получили оборудование, необходимое для анализа содержимого газификации, а позже обнаружили, что их подозрения были верны: в результате этого процесса был получен водород.
«Например, мы знаем, что полиэтилен на 86 процентов состоит из углерода и на 14 процентов из водорода, и мы показали, что можем извлечь из него до 68 процентов атомарного водорода в виде газа с чистотой 94 процента. Для меня разработка методов и опыта для характеристики и количественного определения всех газов, полученных этим методом, включая водород, была трудным, но полезным процессом», — сказал Висс.
Исследователи говорят, что их метод производит меньше выбросов, чем другие методы производства водорода, основываясь на оценке жизненного цикла. Оценка жизненного цикла — это метод, используемый для анализа общего воздействия на окружающую среду и требований к ресурсам, связанных с методами производства.
По сравнению с другими методами производства водорода из пластиковых отходов или переработки биомассы, процесс мгновенного производства водорода обеспечивает улучшение как совокупных потребностей в энергии (снижение энергопотребления на 33-95%), так и выбросов парниковых газов (сокращение выбросов на 65-89%). Исследователи говорят, что преимуществом их процесса мгновенного джоулевого нагрева является то, что отходы пластмассы не нужно очищать или разделять, что позволяет использовать лом для производства чистого водорода с отрицательными затратами. Они планируют глубже понять механизм мгновенного джоулева нагрева, чтобы улучшить его масштабируемость и оптимизировать производство водорода.