利用废弃塑料制取低成本氢燃料

当前，气候危机、污染和生态系统退化等环境挑战的影响日益显著，迫切需要多方面的创新解决方案来应对这些复杂问题。

近期，美国RiceUniversity材料科学与纳米工程系的Boris Yakobson和James Tour领导的研究团队，在Advanced Materials上发表了一项重要研究。他们采用一种全新技术将废塑料转化为清洁氢和高纯度石墨烯，且不产生任何二氧化碳（CO2）。

“如果我们能把废塑料转化为比再生塑料更有价值的物质，并同时捕获其中储存的氢，会怎么样呢？”SLB（前身为Schlumberger）的化学家Kevin Wyss问道，他在博士论文中完成了这个项目。这个想法催生出了一项具有革命性的解决方案，不仅可以减轻环境损害，还能利用废弃材料中潜藏的价值。

他们采用了一种前沿技术-闪蒸焦耳加热来实现塑料再利用。该技术通过电流在具有电阻的材料中流动来迅速将材料加热到极高温度，只需几秒钟就可达到高达数千开尔文的温度。

如上图所示，不使用催化剂的聚乙烯分解产生瞬间氢气和石墨烯。a) 示意图显示了典型的闪电焦耳加热过程，用于将废塑料转化为瞬间氢气。插图显示了在初始电阻为6欧姆的样本上，通过四次迭代处理分解废塑料过程中电流放电作为时间的函数。图中展示了处理前塑料样本的电阻（黑色曲线）和在闪电+处理过程中达到的峰值温度（红色曲线）作为含有废聚乙烯的导电碳黑混合物的函数。误差条代表标准偏差，N=3。b) 聚乙烯的闪电+分解中，初始样本电阻、氢气产量（黑色曲线）和氢气效率（红色曲线）之间的关系。氢气效率是所有气相产品中原子氢总质量与起始聚合物中原子氢含量的比较。误差条代表标准偏差，N=3。c) 初始样本电阻与由聚乙烯分解产生的气态产品和氢气及石墨烯产量之间的关系，其中条形图对应于气体的偏压，而折线图对应于相比起始混合物中的原子氢和碳的氢气（黑色曲线）或石墨烯（蓝色曲线）产量。d) 随着电阻的变化，聚乙烯分解的质量平衡。

Wyss表示：“我们在塑料样品中加入少量灰烬，使其具有导电性，然后通过样品放电，让它在十分之一秒内升温至2500°C左右，接着在几秒钟内冷却下来。这种快速加热会改变塑料中的化学键，将塑料中的碳原子转变为石墨烯中的碳-碳键，氢原子转变为氢气。”“这种方法以高效率、无需催化剂或其他溶剂实现废塑料的循环利用。此外，通过这个方法，我们还能获得纯净珍贵的石墨烯，这种材料可以用于增强汽车、水泥的性能，甚至制造具柔韧性的电子产品和触摸屏，目前每吨的价值为6万至20万美元。”Wyss补充道。

Wyss的实验室在Rice University已经研究闪蒸焦耳加热技术五年之久，最初的研究方向是从塑料中制备石墨烯。但他们后来意识到许多塑料聚合物也含有原子氢。“如果我们最终得到的是100%纯碳的石墨烯，那么塑料中的所有氢原子去哪了？”Wyss问道。于是，他们开始研究闪蒸焦耳加热过程中释放的挥发性气体，并惊喜地发现他们可以释放出近93%的原子氢，并能够回收高达64%的纯氢 —— 产量与目前排放五到六倍CO2的现有工业方法相当。

Wyss表示：“与当前流行的蒸汽甲烷重整化工业方法相比，我们的方法每吨产生的氢气排放CO2和温室气体减少了84%。此外，与目前的‘绿色’氢制备方法（如电解）相比，我们的方法使用更少的能源。

三、市场对氢的需求

氢气因其每单位重量能够产生大量能量，同时仅产生水作为副产品。因此成为一种清洁且备受青睐的燃料源。Wyss表示：“这正是使氢气成为可持续或‘绿色’燃料的原因，与当前使用的天然气、煤炭或石油燃料相比，后者会释放大量二氧化碳。而且，与电池或可再生能源不同，氢气可以快速储存和加注，无需等待数小时充电。因此，许多汽车制造商正在考虑转向使用氢燃料。”
2021年，全球氢气消费量达到惊人的9400万吨，并且未来10年的需求量预计将激增。尽管氢气被誉为绿色燃料，但目前主流的生产方式仍依赖于化石燃料。这种生产方式通过一种称为蒸汽重整的过程来产生氢气，但这不仅耗能，还会产生大量的CO2排放物。“实际上，每生产1吨工业氢，就会排放10-12吨的CO2。”Wyss指出。

一种新兴的替代方案是采用电解的方法来生产氢气，即使用电力将水分解成其组成元素。虽然电力可以来自可再生能源，如太阳能、风能或地热能，但确保其可持续性仍然面临着挑战。这些过程还需要额外的材料，例如催化剂，并且每公斤氢气的生产成本约为3-5美元，使其难以与每公斤2美元的重整过程相竞争。Wyss解释道：“正因如此，我们迫切需要一种高效且低成本的方法来生产氢气，而不会产生大量的CO2。”

四、绿色发展

塑料废弃物污染和低碳氢气生产带来的挑战是几十年前科学家们成功解决了的问题。Wyss说：“在处理塑料废弃物污染方面，我们已经找到了解决方法。然而，回收塑料的成本非常高昂，需要手动分离不同种类的塑料、清洗废物，并重新熔化聚合物。由于回收塑料的成本比制造新塑料还要高，缺乏经济动力进行塑料回收，导致塑料废弃物污染问题至今未能完全解决。”“对于低碳氢气的生产，我们已经找到了一种不产生CO2的制造方法。但与传统产生大量CO2的方法相比，低碳氢气的生产成本要高出两到三倍。”Wyss补充道。因此，真正的挑战不在于找到解决方案，而在于降低解决方案的成本。Wyss及其团队正在努力解决这个问题。

五、商业前景

这与美国能源部的EarthShot计划相吻合，该计划模仿了20世纪60年代的历史性“MoonshotChallenge”，旨在将人类送上月球。同样，EarthShot计划旨在调动资源和创新，实现雄心勃勃的环境目标。

这些目标旨在可扩展、可实现，并旨在解决与气候变化、生物多样性丧失、污染和其他环境危机相关的重要问题。他们在网站上写道：“气候危机需要一种不同类型的Moonshot。”“能源Earthshots（如氢气Shot）将在未来十年内加速更丰富、更实惠、更可靠的清洁能源解决方案的突破。”目标是在未来十年内使1公斤干净的氢气成本为1美元，其中清洁氢气的定义是任何产生低于4公斤CO2作为副产品的氢气。

“我们的研究表明，如果扩大闪蒸焦耳加热技术的应用，就可以实现将废塑料转化为清洁氢气和石墨烯的目标。”Wyss表示。“目前全球95%的氢气生产方式每生产1公斤氢气会产生10-12公斤CO2，而我们的技术仅产生1.8公斤CO2。”

然而，在实现这一目标之前，Wyss承认扩大规模仍然面临一些问题。由于氢气是易燃气体，其安全捕获和纯化需要谨慎的规划和工程设计。但Wyss对此持乐观态度。“三年前我们成立了一家名为Universal Matter的公司，致力于扩大闪蒸焦耳加热技术的应用，以用于石墨烯的生产。”Wyss说道。“在短时间内，我们从每天生产几克石墨烯扩大到每天生产几吨石墨烯。我们非常有信心这种氢气生产方法可以进行类似的规模扩展，因为核心原理是相同的。”

信息来源：MVC.WILEY.CN

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。