Wodór jest postrzegany jako obiecująca alternatywa dla paliw kopalnych, jednak metody stosowane do jego wytwarzania albo generują zbyt dużo dwutlenku węgla, albo są zbyt drogie. Naukowcy z Uniwersytetu Rice znaleźli sposób na pozyskiwanie wodoru z odpadów z tworzyw sztucznych przy użyciu metody niskoemisyjnej, która może więcej niż się zwrócić.
„W ramach tej pracy przekształciliśmy odpady tworzyw sztucznych – w tym odpady mieszane, których nie trzeba sortować według rodzaju ani myć – w wysokowydajny wodór gazowy i wartościowy grafen” – powiedział Kevin Wyss, absolwent studiów doktoranckich w firmie Rice i główny autor badania opublikowanego w Advanced Materials. „Jeśli wyprodukowany grafen będzie sprzedawany za zaledwie 5% aktualnej wartości rynkowej – czyli 95% zniżki! – czysty wodór będzie można wyprodukować za darmo”.
Dla porównania, „ekologiczny” wodór – wytwarzany przy użyciu odnawialnych źródeł energii w celu rozbicia wody na dwa elementy – kosztuje około 5 dolarów za nieco ponad dwa funty. Choć tańszy, większość z prawie 100 milionów ton wodoru zużytego na całym świecie w 2022 r. pochodziła z paliw kopalnych, a jego produkcja generuje około 12 ton dwutlenku węgla na tonę wodoru.
„Główną formą wodoru stosowanego obecnie jest wodór «szary», wytwarzany poprzez reforming parowo-metanowy – metodę generującą duże ilości dwutlenku węgla” – powiedział James Tour, profesor chemii w Rice’s TT i WF Chao oraz profesor materiałów nauki i nanoinżynierii. „Zapotrzebowanie na wodór prawdopodobnie gwałtownie wzrośnie w ciągu następnych kilku dekad, więc nie możemy go kontynuować w taki sam sposób, jak do tej pory, jeśli poważnie myślimy o osiągnięciu zerowej emisji netto do 2050 r.”.
Naukowcy poddali próbki odpadów plastikowych działaniu szybkiego ogrzewania Joule’a przez około cztery sekundy, podnosząc ich temperaturę do 3100 stopni Kelvina. W procesie tym odparowuje się wodór obecny w tworzywach sztucznych, pozostawiając grafen – niezwykle lekki i trwały materiał składający się z pojedynczej warstwy atomów węgla.
„Kiedy po raz pierwszy odkryliśmy błyskawiczne ogrzewanie Joule’a i zastosowaliśmy je do recyklingu odpadów plastikowych w grafen, zaobserwowaliśmy wytwarzanie wielu lotnych gazów wyrzucanych z reaktora” – powiedział Wyss. „Zastanawialiśmy się, czym one są, podejrzewając mieszankę małych węglowodorów i wodoru, ale brakowało nam oprzyrządowania do zbadania ich dokładnego składu”.
Korzystając ze środków Korpusu Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych, laboratorium Tour zakupiło sprzęt niezbędny do scharakteryzowania odparowanej zawartości.
„Wiemy, że na przykład polietylen składa się z 86% węgla i 14% wodoru, i wykazaliśmy, że jesteśmy w stanie odzyskać do 68% tego wodoru atomowego w postaci gazu o czystości 94%” – powiedział Wyss. „Opracowanie metod i wiedzy specjalistycznej w celu charakteryzowania i oznaczania ilościowego wszystkich gazów, w tym wodoru, wytwarzanych tą metodą, było dla mnie trudnym, ale satysfakcjonującym procesem.
„Cieszę się, że techniki, których się nauczyłem i które wykorzystałem w tej pracy – w szczególności ocena cyklu życia i chromatografia gazowa – mogą zostać zastosowane w innych projektach w naszej grupie. Mam nadzieję, że ta praca pozwoli na produkcję czystego wodoru z odpadów tworzyw sztucznych, być może rozwiązując główne problemy środowiskowe, takie jak zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi i produkcja wodoru generująca intensywną emisję gazów cieplarnianych w drodze reformingu parowego metanu”.
Badania były wspierane przez Centrum Badań i Rozwoju Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych (W912HZ-21-2-0050), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-22-1-0526), Narodową Fundację Nauki i Biuro Marynarki Wojennej Badania (N00014-22-1-2788).