只需4秒！废弃塑料制取超低成本的石墨烯和氢气

氢被认为是能够替代化石燃料的最有前途的清洁能源,全球每年使用量超过 9000 万吨。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。目前超过 95% 的氢气是通过金属催化蒸汽甲烷重整合成的，每吨氢气产生 11 吨二氧化碳。使用可再生能源电解水产生的“绿色氢气”不产生二氧化碳，但成本高出 2-3 倍，目前在经济上不可行。

近日美国莱斯大学的研究人员开发出一种名为“快速闪蒸焦耳加热（FJH）”的方法，利用一种低排放、无催化剂的方法从废塑料（聚烯烃、聚酯和混合塑料）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《Advanced Materials》。

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，人们将氢气分为灰氢、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。

来源：网络

未来对氢气需求大幅上升，并且绿氢占比同样也大幅上升

来源：论文

意外的发现—从废弃塑料提取石墨烯到制氢气

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3100K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。

废车塑料变成石墨烯的原文链接见底部

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）

闪焦耳热刚被用于废塑料制取石墨烯时，他们只是观察到有大量挥发性气体出来，还不知道具体成分，只认为是小碳氢化合物和氢的混合物，但受限于当时气体成分分析设备没有明确下来。这次在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，他们发现这一过程产生的气体就是氢气。

比如，聚乙烯是由 86% 的碳和 14% 的氢组成的，而他们的实验已经证明，能够以纯度为 94% 的气体形式回收其中高达 68% 的原子氢。FJH方法主要利用快速电流放电来加热，消除了传统加热过程中的缓慢传热步骤，使加热速度每秒升温105K。这样可以使塑料分子中的碳元素和氢元素迅速分离，并以不同形式释放出来。

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。

来源：论文

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。

商业用途十分广泛

将废塑料转化为高纯氢和高价值的石墨烯，相当于是“买一赠一”了，氢气作为清洁能源，商业价值是毋庸置疑的，而石墨烯更是一种高附加值的产品，比如加在混凝土中可以提高抗压强度，在PDMS中添加可以提高250%强度。

早些时候，美国莱斯大学和福特研究与创新中心（Ford’s Research and Innovation Center）的研究人员甚至通过了这种闪蒸焦耳加热工艺，展示了如何利用旧车上的废塑料来制造石墨烯聚氨酯泡沫，然后再将其用于新车，测试表明，注入石墨烯的泡沫拉伸强度提高了34%，低频噪音吸收能力提高了25%。石墨烯的重量含量仅为 0.1% 或更少，却让汽车得到华丽升级。

此外，他们还在用这种工艺从废弃塑料中制造碳纳米管和碳纳米纤维，比现有工艺直接提高了90%效率。

其实，废塑料制氢不算新技术了，早在20多年前，日本荏原公司（Ebara）和日挥株式会社（JGC）合作，就开发出了一种加压气化技术，能够把废弃塑料回收成为化学原料再进行制氢。该废弃塑料制氢技术被称为——荏原-宇部工艺（EUP），自2003年以来一直被另一家日本化学公司昭和电工所使用。

不过，莱斯大学这个快速闪蒸焦耳加热法不仅可以从废弃塑料中制取氢气，还能制造石墨烯，而且这个过程只需要4秒钟，成本相抵，核算下来利润就相当客观了。

阅读原文：“闪蒸技术”可将报废车塑料变成石墨烯

《Upcycling end-of-life vehicle waste plastic into flash graphene》

https://www.nature.com/articles/s44172-022-00006-7

阅读原文：零净成本从废塑料合成清洁氢气

《Synthesis of clean hydrogen gas from waste plastic at zero net cost》

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202306763

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