Onderzoekers hebben een emissiearme methode gebruikt om waterstof en grafeen uit afvalplastic te halen. Dit lost niet alleen milieuproblemen op, zoals plasticvervuiling en de productie van broeikasgassen, maar de waarde van het bijproduct van grafeen zou de kosten van de productie van waterstof kunnen compenseren, zeggen ze. Waterstof kan worden gebruikt om auto's aan te drijven, elektriciteit op te wekken en huizen en bedrijven te verwarmen. Waterstof bevat meer energie per gewichtseenheid dan fossiele brandstoffen, wat belangrijk is vanuit milieuperspectief omdat de belangrijkste oorzaak van de mondiale uitstoot van broeikasgassen de kooldioxide is die vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen.
Meer dan 95% van de momenteel verkochte waterstof wordt gesynthetiseerd door middel van stoomreforming van methaan, waarbij 11 ton (12 ton) kooldioxide per ton waterstof wordt geproduceerd, waarvan het overgrote deel grijze waterstof is. Ter vergelijking: 'groene waterstof' die wordt geproduceerd door hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie, windenergie of water te gebruiken om water in zijn elementen te scheiden, is duur en kost ongeveer $ 5 per twee pond (ongeveer één kilogram) waterstof.
Onderzoekers van Rice University hebben nu een manier ontwikkeld om waardevolle waterstof en grafeen uit afvalplastic te halen met behulp van een emissiearme, katalysatorvrije methode die het potentieel heeft om zichzelf terug te betalen.
"In dit werk zetten we afvalplastics, inclusief gemengd afvalplastics die niet op type hoeven te worden gesorteerd of gereinigd, om in waterstof met een hoge opbrengst en hoogwaardig grafeen", zegt Kevin Wyss, eerste auteur van het onderzoek. "Als het geproduceerde grafeen voor slechts 5% van de huidige marktwaarde zou worden verkocht - een korting van 95%! - zou schone waterstof gratis kunnen worden geproduceerd."
Bij het stoom-methaan-reformingproces wordt stoom van hoge temperatuur (1292°F tot 1832°F/700°C tot 1000°C) gebruikt om waterstof te produceren uit methaanbronnen zoals aardgas. Methaan reageert met stoom onder invloed van een katalysator en produceert waterstof, koolmonoxide en kooldioxide.
James Tour, een van de corresponderende auteurs van het onderzoek, zei: “De belangrijkste vorm van waterstof die momenteel wordt gebruikt is ‘grijze’ waterstof, die wordt geproduceerd door reforming van methaan met stoom, een methode die grote hoeveelheden kooldioxide produceert. De vraag naar waterstof zal de komende decennia waarschijnlijk enorm stijgen, dus als we echt tegen 2050 een netto-nul-uitstoot willen bereiken, kunnen we niet langer waterstof maken met de methoden die we tot nu toe hebben gebruikt.”
Afvalplastic blijft lange tijd in het milieu aanwezig, bedreigt wilde dieren en verspreidt gifstoffen naar dieren en mensen. In het huidige onderzoek stelden de onderzoekers afvalplastic gedurende ongeveer 4 seconden bloot aan snelle Joule-verwarming. Wanneer de temperatuur stijgt tot 3.100 Kelvin, verdampt de waterstof in het plastic, waardoor grafeen overblijft, een lichtgewicht en duurzaam materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Grafeen kan worden gebruikt op gebieden als elektronica, energieopslag, sensoren, coatings, composietmaterialen en biomedische apparaten, om maar een paar toepassingen te noemen.
"Toen we voor het eerst flash-joule-verwarming ontdekten en deze toepasten om afvalplastic te upcyclen tot grafeen, zagen we dat grote hoeveelheden vluchtige gassen werden geproduceerd en uit de reactor werden uitgestoten", aldus Wyss. "We wilden weten wat ze waren, omdat we een mengsel van kleine koolwaterstoffen en waterstof vermoedden, maar misten de instrumenten om hun exacte samenstelling te bestuderen."
Met financiering van het US Army Corps of Engineers verkregen de onderzoekers de apparatuur die nodig was om de inhoud van de vergassing te analyseren, en ontdekten later dat hun vermoedens juist waren: het proces produceerde waterstof.
"We weten bijvoorbeeld dat polyethyleen voor 86 procent uit koolstof en voor 14 procent uit waterstof bestaat, en we hebben aangetoond dat we tot 68 procent van de atomaire waterstof erin kunnen terugwinnen als een gas met een zuiverheid van 94 procent. Voor mij is het ontwikkelen van de methoden en expertise om alle gassen die met deze methode worden geproduceerd, inclusief waterstof, te karakteriseren en kwantificeren, een moeilijk maar lonend proces geweest", aldus Wyss.
De onderzoekers zeggen dat hun methode minder uitstoot produceert dan andere waterstofproductiemethoden, gebaseerd op een levenscyclusanalyse. Levenscyclusanalyse is een techniek die wordt gebruikt om de algehele impact op het milieu en de behoeften aan hulpbronnen die verband houden met productiemethoden te analyseren.
Vergeleken met andere waterstofproductiemethoden uit de deconstructie van afvalplastic of biomassa, levert het flash-waterstofproductieproces verbeteringen op in zowel de cumulatieve energiebehoefte (33-95% energiereductie) als de uitstoot van broeikasgassen (65-89% emissiereductie). De onderzoekers zeggen dat een voordeel van hun flash-Joule-verwarmingsproces is dat afvalplastics niet hoeven te worden gereinigd of gescheiden, waardoor het schrootmateriaal tegen negatieve kosten kan worden gebruikt om schone waterstof te produceren. Ze zijn van plan het flash-joule-verwarmingsmechanisme verder te begrijpen om de schaalbaarheid ervan te verbeteren en de waterstofproductie te optimaliseren.