Ученые превратили пластиковые отходы в «чистый» водород и графен: невероятная выгода
Водород используется для питания транспортных средств, выработки электроэнергии и обогрева наших домов и предприятий. Он содержит больше энергии на единицу веса, чем ископаемое топливо, что важно с экологической точки зрения, поскольку основной причиной глобальных выбросов парниковых газов является выброс углекислого газа в результате сжигания нефти.
Более 95% водорода синтезируется посредством паро-метанового риформинга, при котором на каждую тонну водорода образуется 12 тонн углекислого газа, подавляющее большинство которого представляет собой «серый» водород. Для сравнения, «зеленый водород», производимый с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, ветровая или гидроэнергия, стоит дорого: около $5 за кило.
Исследователи из Университета Райса разработали способ получения ценного водорода и графена из пластиковых отходов с использованием метода с низким уровнем выбросов и без катализаторов, который потенциально может окупиться.
«В этой работе мы превратили пластиковые отходы (в том числе смешанные, которые не нужно сортировать по типу или мыть) в газообразный водород с высоким выходом, а также в ценный графен, — рассказал Кевин Висс, ведущий автор исследования. — Если произведенный графен будет продаваться всего за 5% от текущей рыночной стоимости – скидка 95%! – чистый водород можно будет производить бесплатно».
При паро-метановом риформинге высокотемпературный пар (700 до 1000 °C) используется для производства водорода из источника метана, такого как природный газ. Метан реагирует с паром в присутствии катализатора с образованием водорода, оксида углерода и диоксида углерода.
«Основной формой водорода, используемой сегодня, является "серый" водород, который производится путем паровой конверсии метана — метода, при котором образуется много углекислого газа», — пояснил Джеймс Тур, один из авторов исследования. «Спрос на водород, вероятно, резко возрастет в течение следующих нескольких десятилетий, поэтому мы не можем продолжать делать это так же, как до сих пор, если мы серьезно настроены достичь нулевых выбросов к 2050 году», — добавил он.
Ученые подвергли пластиковые отходы быстрому джоулевому нагреву в течение примерно четырех секунд. Повышение температуры до 3100 К испаряет водород, присутствующий в пластике, оставляя после себя графен, легкий и прочный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. Графен используется в электронике, хранении энергии, датчиках, покрытиях, композитах и биомедицинских устройствах, и это лишь некоторые из его применений.
«Когда мы впервые обнаружили мгновенное джоулевое нагревание и применили его для переработки пластиковых отходов в графен, то наблюдали, как из реактора выделяется много летучих газов. Мы задавались вопросом, что это такое, подозревая смесь небольших углеводородов и водорода, но у нас не было инструментов для изучения их точного состава», — отметил Висс.
После приобретения оборудования, необходимого для анализа испаренного содержимого, исследователи обнаружили, что их подозрения были верны: в результате этого процесса вырабатывался газообразный водород.
«Мы знаем, что полиэтилен на 86% состоит из углерода и на 14% из водорода, и мы продемонстрировали, что можем восстановить до 68% этого атомарного водорода в виде газа с чистотой 94%. Разработка методов и знаний для характеристики и количественного определения всех газов, включая водород, получаемых этим методом, была для меня трудным, но полезным процессом».
Исследователи говорят, что, основываясь на оценке жизненного цикла, их метод производит меньше выбросов, чем другие методы производства водорода. Оценка жизненного цикла — это метод, используемый для анализа целостного воздействия на окружающую среду и потребностей в ресурсах, связанных с методами производства.
«Процесс мгновенного H2 обеспечивает улучшение как совокупного спроса на энергию (на 33–95 % меньше энергии), так и выбросов парниковых газов (на 65–89 % меньше выбросов) по сравнению с другими методами переработки пластиковых отходов или биомассы для производства H2», — заявили исследователи.
Также ученые уверены, что преимуществом их процесса мгновенного джоулевого нагрева является то, что пластиковые отходы не нужно мыть или разделять, и их можно использовать для производства чистого водорода с отрицательной себестоимостью из отходов.
Они планируют улучшить свое понимание механизма мгновенного джоулева нагрева, чтобы улучшить его масштабируемость и оптимизировать производство водорода.