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环保新突破:从废塑料中提取氢和石墨烯

环保新突破:从废塑料中提取氢和石墨烯 浦江同舟
2023-09-22
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《Advance Material》

氢被认为是能够替代化石燃料的最有前途的清洁能源。但之所以至今没有被广泛推广运用,除了储存要求高,它的制备成本也非常高。


近日美国莱斯大学的研究人员开发出一种方法,利用一种低排放、无催化剂的方法从废塑料中获取宝贵的氢气和石墨烯。这不仅解决了塑料污染和温室气体的问题,制备过程产生的高价值石墨烯副产品甚至可以抵消生产氢气的成本,让低成本制“绿氢”成为可能。论文发表在最近一期的《Advance Material》(材料领域期刊)。


灰氢、蓝氢、绿氢

通常,根据生产来源和制备过程中的碳排放情况,人们将氢能分为灰氢、蓝氢和绿氢这三种类型。


目前销售的95%以上的氢气属于“灰氢”,是通过化石燃料(煤炭、石油、天然气等)燃烧产生的。它的生产成本较低,但在生产过程中会产生大量二氧化碳,碳排量最高。


“蓝氢”比“灰氢”好一点,它是通过蒸汽甲烷转化合成。但是生产过程中使用了碳捕集、利用与封存(CCUS)等先进技术,能在一定程度上实现低排放生产。


相比之下,利用太阳能、风能或水能等可再生能源通过电解水可以产生“绿氢”。制备“绿氢”虽然不产生二氧化碳,但成本却非常高,制备约1公斤氢气的成本约为5美元。


意外的发现

对研究人员来说,这一研究成果的获得有些意外。一开始,研究人员只是希望从废塑料中提炼石墨烯。


在之前的研究中,研究人员已经发现将废塑料暴露在快速闪焦耳加热中约4秒钟,当温度升高到 3100 开尔文时,塑料中的氢会蒸发,留下石墨烯。石墨烯是一种由单层碳原子组成的极轻,耐用的材料,可用于电子、储能、传感器、涂层、复合材料和生物医学设备等领域,价值非常昂贵。

“当我们第一次发现闪焦耳热并将其应用于将废塑料升级为石墨烯时,我们观察到大量挥发性气体正在产生并从反应堆中射出,” 该研究的通讯作者之一Wyss说,“我们怀疑它是小碳氢化合物和氢的混合物,但缺乏研究其确切成分的仪器。”


于是,在美国陆军工程兵部队的资助下,研究人员获得了分析气化内容物所需的设备。经过测试,他们发现自己的猜测是正确的:这一过程产生了氢气!

Wyss 说:“例如,我们知道聚乙烯是由 86% 的碳和 14% 的氢组成的,而实验已经证明,我们能够以纯度为 94% 的气体形式回收其中高达 68% 的原子氢。”另外,根据生命周期评估,他们的方法比其他制氢方法产生的排放更少(生命周期评估是一种用于分析与生产方法相关的整体环境影响和资源需求的技术)。研究人员表示,他们计划进一步了解闪焦耳加热机制,以提高其可扩展性并优化氢气生产。

与其他废塑料或生物质解构制氢方法相比,闪蒸制氢工艺在累积能源需求(减少 33-95% 的能源)和温室气体排放(减少 65-89% 的排放)方面都有所改进。毕竟闪焦耳加热工艺的一个好处是,废塑料不需要清洗或分离,可以利用废旧材料生产负成本的清洁氢气。


将废塑料转化为高产氢和高价值的石墨烯,这可真是“买一赠一”的好事。


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参考文献:https://www.sciencedaily.com/releases/2023/09/230914114626.htm

DOI:10.1002/adma.202306763

栏目支持: 市科技工作党委、市教卫工作党委

编辑:孙濛

【声明】内容源于网络
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