研究人员采用一种低排放方法从废塑料中提取氢气和石墨烯。他们表示，这不仅解决了塑料污染和温室气体产生等环境问题，而且石墨烯副产品的价值可以抵消生产氢气的成本。氢气可用于为汽车提供动力、发电以及为家庭和企业供暖。与化石燃料相比，氢气每单位重量含有更多的能量，这从环保角度来看非常重要，因为全球温室气体排放的主要原因是燃烧化石燃料释放出的二氧化碳。

用废塑料制造氢气可以收回成本

氢被视为化石燃料的一种有前途的替代品，但其制造方法要么会产生过多的二氧化碳，要么过于昂贵。莱斯大学的研究人员找到了一种利用低排放方法从塑料废物中获取氢气的方法，这种方法的成本远远超出了成本。

“在这项工作中，我们将废塑料——包括不需要按类型分类或清洗的混合废塑料——转化为高产氢气和高价值石墨烯，”莱斯大学博士校友兼负责人凯文·怀斯（Kevin Wyss）说。作者发表在《先进材料》上的一项研究。“如果生产出来的石墨烯仅以当前市场价值的 5% 出售——即折扣 95%！——可以免费生产清洁的氢气。”

相比之下，“绿色”氢气——使用可再生能源将水分解成两种组成元素——的成本约为 5 美元，仅两磅多一点。尽管价格更便宜，但 2022 年全球使用的近 1 亿吨氢气大部分来自化石燃料，每生产一吨氢气会产生约 12 吨二氧化碳。

“当今使用的氢的主要形式是‘灰’氢，它是通过蒸汽-甲烷重整产生的，这种方法会产生大量二氧化碳，”莱斯大学的T. T. James Tour、化学教授W. F. Chao以及一位材料科学和纳米工程教授说。“未来几十年，对氢的需求可能会猛增，因此，如果我们真的想在 2050 年实现净零排放，那么我们就不能继续以目前的方式生产氢。”

废塑料在环境中会长期存在，威胁野生动物，并向动物和人类传播毒素。在目前的研究中，研究人员将废塑料暴露在快速闪焦耳加热中约4秒钟。温度升高到 3100 开尔文时，塑料中的氢会蒸发，留下石墨烯，这是一种由单层碳原子组成的轻质耐用材料。石墨烯可用于电子、储能、传感器、涂层、复合材料和生物医学设备等领域，这只是石墨烯应用的一小部分。

焦耳热闪蒸技术

莱斯大学化学家James Tour的研究团队开发的“闪蒸石墨烯”技术，能将各种垃圾在一阵光和热中转变为石墨烯。在10毫秒内，任何碳源都可以转变为这种值钱的二维材料。

相较于其他石墨烯的生产方式，“闪蒸石墨烯”技术仅需耗费一小部分能源，就可以将一吨煤、食物残渣和塑料转变为石墨烯。闪蒸过程不仅帮助我们改善垃圾处理，同时还大幅降低生产成本。利用这一方法能将碳固定，防止这些碳再次进入大气。

石墨烯副产品抵消了“闪蒸”制氢成本

研究人员将塑料废物样品暴露在快速焦耳加热下约四秒钟，使其温度达到 3100 开氏度。该过程蒸发了塑料中存在的氢，留下石墨烯——一种由单层碳原子组成的极轻、耐用的材料。

“当我们第一次发现闪蒸焦耳加热并将其用于将废塑料升级为石墨烯时，我们观察到大量挥发性气体产生并从反应器中喷出，”怀斯说。“我们想知道它们是什么，怀疑是小分子碳氢化合物和氢气的混合物，但缺乏仪器来研究它们的确切成分。”

用废塑料形成的纳米级闪光石墨烯片的透射电子显微镜（TEM）图像Kevin Wyss/Tour 实验室

Tour 实验室利用美国陆军工程兵团的资金，购买了必要的设备来表征汽化内容物。“例如，我们知道聚乙烯由 86% 的碳和 14% 的氢组成，我们证明我们能够以气体形式回收高达 68% 的原子氢，纯度为 94%，”Wyss说。“开发方法和专业知识来表征和量化通过这种方法产生的所有气体（包括氢气）对我来说是一个困难但有益的过程。

研究人员表示，根据生命周期评估，他们的方法比其他制氢方法产生的排放更少。生命周期评估是一种用于分析与生产方法相关的整体环境影响和资源需求的技术。

与其他废塑料或生物质解构制氢方法相比，闪蒸制氢工艺在累积能源需求（减少 33-95% 的能源）和温室气体排放（减少 65-89% 的排放）方面都有所改进。研究人员说，他们的闪焦耳加热工艺的一个好处是，废塑料不需要清洗或分离，可以利用废旧材料生产负成本的清洁氢气。他们计划进一步了解闪焦耳加热机制，以提高其可扩展性并优化氢气生产。

文章来源： 莱斯大学，cnBeta，中科院物理所