新材料：低排放方法从废塑料中提取氢气和石墨烯

　　研究人员采用一种低排放方法从废塑料中提取氢气和石墨烯。他们表示，这不仅解决了塑料污染和温室气体产生等环境问题，而且石墨烯副产品的价值可以抵消生产氢气的成本。氢气可用于为汽车提供动力、发电以及为家庭和企业供暖。与化石燃料相比，氢气每单位重量含有更多的能量，这从环保角度来看非常重要，因为全球温室气体排放的主要原因是燃烧化石燃料释放出的二氧化碳。

　　目前销售的95%以上的氢气是通过蒸汽甲烷转化合成的，每吨氢气会产生 11 吨(12 吨)二氧化碳，其中绝大部分是灰氢。相比之下，利用太阳能、风能或水能等可再生能源将水分离成各种元素所生产的"绿色氢气"价格昂贵，每两磅(约一公斤)氢气的成本约为 5 美元。

　　莱斯大学的研究人员现在已经开发出一种方法，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，这种方法有可能收回成本。

　　"在这项工作中，我们将废塑料(包括无需按类型分类或清洗的混合废塑料)转化为高产氢气和高价值的石墨烯，"该研究的第一作者凯文-维斯(Kevin Wyss)说。"如果生产出的石墨烯仅以当前市场价值的 5% 出售，即 95% 的折扣出售!- 就可以免费生产清洁氢气。"

　　在蒸汽-甲烷转化过程中，高温蒸汽(1292 °F 至 1832 °F/700 °C 至 1000 °C)被用来从天然气等甲烷源生产氢气。甲烷在催化剂作用下与蒸汽发生反应，生成氢气、一氧化碳和二氧化碳。

　　该研究的通讯作者之一詹姆斯-托尔(James Tour)说："目前使用的主要氢气形式是'灰色'氢气，它是通过蒸汽-甲烷重整产生的，这种方法会产生大量二氧化碳。未来几十年，对氢气的需求可能会激增，因此，如果我们真的想在2050年实现净零排放，就不能再用迄今为止的方法制造氢气了。"

　　废塑料在环境中会长期存在，威胁野生动物，并向动物和人类传播毒素。在目前的研究中，研究人员将废塑料暴露在快速闪焦耳加热中约4秒钟。温度升高到 3100 开尔文时，塑料中的氢会蒸发，留下石墨烯，这是一种由单层碳原子组成的轻质耐用材料。石墨烯可用于电子、储能、传感器、涂层、复合材料和生物医学设备等领域，这只是石墨烯应用的一小部分。

　　用废塑料形成的纳米级闪光石墨烯片的透射电子显微镜(TEM)图像Kevin Wyss/Tour 实验室

　　Wyss 说："当我们首次发现闪速焦耳加热并将其应用于将废塑料升级为石墨烯时，我们观察到有大量挥发性气体产生并从反应器中喷出。我们想知道它们是什么，怀疑是小碳氢化合物和氢气的混合物，但缺乏研究其确切成分的仪器。"

　　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，之后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，而我们已经证明，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。对我来说，开发表征和量化这种方法产生的所有气体(包括氢气)的方法和专业知识是一个艰难但有意义的过程"。

　　研究人员表示，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。

　　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。研究人员说，他们的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。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