新材料：低排放方法從廢塑料中提取氫氣和石墨烯

　　研究人員采用一種低排放方法從廢塑料中提取氫氣和石墨烯。他們表示，這不僅解決了塑料污染和溫室氣體產(chǎn)生等環(huán)境問題，而且石墨烯副產(chǎn)品的價值可以抵消生產(chǎn)氫氣的成本。氫氣可用于為汽車提供動力、發(fā)電以及為家庭和企業(yè)供暖。與化石燃料相比，氫氣每單位重量含有更多的能量，這從環(huán)保角度來看非常重要，因為全球溫室氣體排放的主要原因是燃燒化石燃料釋放出的二氧化碳。

　　目前銷售的95%以上的氫氣是通過蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化合成的，每噸氫氣會產(chǎn)生 11 噸(12 噸)二氧化碳，其中絕大部分是灰氫。相比之下，利用太陽能、風能或水能等可再生能源將水分離成各種元素所生產(chǎn)的"綠色氫氣"價格昂貴，每兩磅(約一公斤)氫氣的成本約為 5 美元。

　　萊斯大學的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種方法，利用一種低排放、無催化劑的方法從廢塑料中獲取寶貴的氫氣和石墨烯，這種方法有可能收回成本。

　　"在這項工作中，我們將廢塑料(包括無需按類型分類或清洗的混合廢塑料)轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)氫氣和高價值的石墨烯，"該研究的第一作者凱文-維斯(Kevin Wyss)說。"如果生產(chǎn)出的石墨烯僅以當前市場價值的 5% 出售，即 95% 的折扣出售!- 就可以免費生產(chǎn)清潔氫氣。"

　　在蒸汽-甲烷轉(zhuǎn)化過程中，高溫蒸汽(1292 °F 至 1832 °F/700 °C 至 1000 °C)被用來從天然氣等甲烷源生產(chǎn)氫氣。甲烷在催化劑作用下與蒸汽發(fā)生反應，生成氫氣、一氧化碳和二氧化碳。

　　該研究的通訊作者之一詹姆斯-托爾(James Tour)說："目前使用的主要氫氣形式是'灰色'氫氣，它是通過蒸汽-甲烷重整產(chǎn)生的，這種方法會產(chǎn)生大量二氧化碳。未來幾十年，對氫氣的需求可能會激增，因此，如果我們真的想在2050年實現(xiàn)凈零排放，就不能再用迄今為止的方法制造氫氣了。"

　　廢塑料在環(huán)境中會長期存在，威脅野生動物，并向動物和人類傳播毒素。在目前的研究中，研究人員將廢塑料暴露在快速閃焦耳加熱中約4秒鐘。溫度升高到 3100 開爾文時，塑料中的氫會蒸發(fā)，留下石墨烯，這是一種由單層碳原子組成的輕質(zhì)耐用材料。石墨烯可用于電子、儲能、傳感器、涂層、復合材料和生物醫(yī)學設備等領域，這只是石墨烯應用的一小部分。

　　用廢塑料形成的納米級閃光石墨烯片的透射電子顯微鏡(TEM)圖像Kevin Wyss/Tour 實驗室

　　Wyss 說："當我們首次發(fā)現(xiàn)閃速焦耳加熱并將其應用于將廢塑料升級為石墨烯時，我們觀察到有大量揮發(fā)性氣體產(chǎn)生并從反應器中噴出。我們想知道它們是什么，懷疑是小碳氫化合物和氫氣的混合物，但缺乏研究其確切成分的儀器。"

　　在美國陸軍工程兵部隊的資助下，研究人員獲得了分析氣化內(nèi)容物所需的設備，之后他們發(fā)現(xiàn)自己的猜測是正確的：這一過程產(chǎn)生了氫氣。

　　Wyss 說："例如，我們知道聚乙烯是由 86% 的碳和 14% 的氫組成的，而我們已經(jīng)證明，我們能夠以純度為 94% 的氣體形式回收其中高達 68% 的原子氫。對我來說，開發(fā)表征和量化這種方法產(chǎn)生的所有氣體(包括氫氣)的方法和專業(yè)知識是一個艱難但有意義的過程"。

　　研究人員表示，根據(jù)生命周期評估，他們的方法比其他制氫方法產(chǎn)生的排放更少。生命周期評估是一種用于分析與生產(chǎn)方法相關(guān)的整體環(huán)境影響和資源需求的技術(shù)。

　　與其他廢塑料或生物質(zhì)解構(gòu)制氫方法相比，閃蒸制氫工藝在累積能源需求(減少 33-95% 的能源)和溫室氣體排放(減少 65-89% 的排放)方面都有所改進。研究人員說，他們的閃焦耳加熱工藝的一個好處是，廢塑料不需要清洗或分離，可以利用廢舊材料生產(chǎn)負成本的清潔氫氣。他們計劃進一步了解閃焦耳加熱機制，以提高其可擴展性并優(yōu)化氫氣