В этой работе мы превратили пластиковые отходы, в том числе смешанные, которые не нужно сортировать по типу или мыть, в высокопроизводительный газообразный водород и дорогой графен. Если графен будет продаваться всего за 5% от текущей рыночной стоимости — чистый водород уже получится бесплатно.
— Кевин Висс, докторант и ведущий специалист Университета Райса.
Какие методы по производству водорода используются сегодня?
Для сравнения, «зеленый» водород, производимый с использованием возобновляемых источников энергии для разделения воды на два составных элемента, стоит примерно 5 долларов за два фунта. Хотя он дешевле, почти 100 миллионов тонн водорода, использованного в мире в 2022 году, было получено из ископаемого топлива, и производство его приводило к выделению примерно 12 тонн углекислого газа на тонну водорода.
Основная форма водорода, используемая сегодня — это «серый» водород, который производится посредством паровой конверсии метана, в результате чего образуется много углекислого газа. Потребность в водороде в ближайшие десятилетия, скорее всего, вырастет взрывными темпами, поэтому, если мы серьезно настроены достичь чистого нулевого выброса к 2050 году, мы не можем продолжать его производить тем же способом, которым мы пользовались до сих пор.
— Джеймс Тур, профессор химии и материаловедения в Университете Райса.
Решение, предложенное учёными
Исследователи подвергли образцы пластиковых отходов быстрому джоулевому нагреву в течение примерно четырех секунд, в результате чего их температура достигла 3100 градусов Кельвина. В ходе этого процесса водород, присутствующий в пластике, испаряется, оставляя после себя графен — чрезвычайно легкий и прочный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода.
Когда мы впервые обнаружили мгновенное нагревание и применили его для переработки пластиковых отходов в графен, мы заметили, что из реактора выделяется много летучих газов. Мы задавались вопросом, что это за газы, предполагая, что это смесь малых углеводородов и водорода, но нам не хватало приборов для изучения их точного состава.
— Кевин Висс
Используя финансирование Инженерного корпуса армии США, лаборатория Джеймса Тура приобрела необходимое оборудование для определения характеристик испаренного содержимого.
Например, нам известно, 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 для характеристики и количественного определения всех газов, включая водород, получаемых этим методом, была для меня трудным, но полезным процессом.
Я рад, что методы, которые я изучил и использовал в этой работе, в частности, оценка жизненного цикла и газовая хроматография, могут быть применены к другим проектам нашей группы. Я надеюсь, что эта работа позволит производить чистый водород из пластиковых отходов, возможно, решив серьезные экологические проблемы, такие как загрязнение пластиком и интенсивное производство водорода путем паровой конверсии метана.
Я рад, что методы, которые я изучил и использовал в этой работе, в частности, оценка жизненного цикла и газовая хроматография, могут быть применены к другим проектам нашей группы. Я надеюсь, что эта работа позволит производить чистый водород из пластиковых отходов, возможно, решив серьезные экологические проблемы, такие как загрязнение пластиком и интенсивное производство водорода путем паровой конверсии метана.
— Джеймс Тур
