Водород рассматривается как многообещающая альтернатива ископаемому топливу, но методы, используемые для его получения, либо производят слишком много углекислого газа, либо слишком дороги. Исследователи из Университета Райса нашли способ получать водород из пластиковых отходов с использованием метода с низким уровнем выбросов, который может более чем окупиться.

«В этой работе мы превратили пластиковые отходы, в том числе смешанные пластиковые отходы, которые не нужно сортировать по типу или мыть, в высокопроизводительный газообразный водород и ценный графен», — сказал Кевин Висс, выпускник докторской программы Rice и автор исследования, опубликованного в Advanced Materials . «Если произведенный графен будет продаваться всего за 5% от текущей рыночной стоимости — скидка 95%! — чистый водород можно будет производить бесплатно».

Для сравнения, «зеленый» водород, производимый с использованием возобновляемых источников энергии для разделения воды на два составных элемента, стоит примерно 5 долларов за килограмм. Несмотря на то, что он дешевле, большая часть из почти 100 миллионов тонн водорода, использованного во всем мире в 2022 году, была получена из ископаемого топлива, при его производстве образуется примерно 12 тонн углекислого газа на тонну водорода.

«Основной формой водорода, используемой сегодня, является «серый» водород, который производится посредством паровой конверсии метана, метода, при котором образуется много углекислого газа», — сказал Джеймс Тур, профессор химии Райса и В.Ф. Чао, а также профессор химии, материаловедения и наноинженерии. «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».

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 джоулевое нагревание и применили его для переработки пластиковых отходов в графен, мы наблюдали, как из реактора выделяется много летучих газов», — сказал Висс. «Мы задавались вопросом, что это такое, подозревая, что это смесь небольших углеводородов и водорода, но у нас не было инструментов для изучения их точного состава».

Используя финансирование Инженерного корпуса армии США, лаборатория Тура приобрела необходимое оборудование для определения характеристик испаренного содержимого.

«Например, 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%», — сказал Висс. «Разработка методов и знаний 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 и решить серьезные экологические проблемы, такие как загрязнение пластиком и интенсивное производство водорода путем паровой конверсии метана».