當前，氣候危機、污染和生態系統退化等環境挑戰的影響日益顯著，迫切需要多方面的創新解決方案來應對這些復雜問題。

近期，美國RiceUniversity材料科學與納米工程系的Boris Yakobson和James Tour領導的研究團隊，在Advanced Materials上發表了一項重要研究。他們采用一種全新技術將廢塑料轉化為清潔氫和高純度石墨烯，且不產生任何二氧化碳（CO2）。

“如果我們能把廢塑料轉化為比再生塑料更有價值的物質，并同時捕獲其中儲存的氫，會怎么樣呢？”SLB（前身為Schlumberger）的化學家Kevin Wyss問道，他在博士論文中完成了這個項目。這個想法催生出了一項具有革命性的解決方案，不僅可以減輕環境損害，還能利用廢棄材料中潛藏的價值。

他們采用了一種前沿技術-閃蒸焦耳加熱來實現塑料再利用。該技術通過電流在具有電阻的材料中流動來迅速將材料加熱到極高溫度，只需幾秒鐘就可達到高達數千開爾文的溫度。

如上圖所示，不使用催化劑的聚乙烯分解產生瞬間氫氣和石墨烯。a) 示意圖顯示了典型的閃電焦耳加熱過程，用于將廢塑料轉化為瞬間氫氣。插圖顯示了在初始電阻為6歐姆的樣本上，通過四次迭代處理分解廢塑料過程中電流放電作為時間的函數。圖中展示了處理前塑料樣本的電阻（黑色曲線）和在閃電+處理過程中達到的峰值溫度（紅色曲線）作為含有廢聚乙烯的導電碳黑混合物的函數。誤差條代表標準偏差，N=3。b) 聚乙烯的閃電+分解中，初始樣本電阻、氫氣產量（黑色曲線）和氫氣效率（紅色曲線）之間的關系。氫氣效率是所有氣相產品中原子氫總質量與起始聚合物中原子氫含量的比較。誤差條代表標準偏差，N=3。c) 初始樣本電阻與由聚乙烯分解產生的氣態產品和氫氣及石墨烯產量之間的關系，其中條形圖對應于氣體的偏壓，而折線圖對應于相比起始混合物中的原子氫和碳的氫氣（黑色曲線）或石墨烯（藍色曲線）產量。d) 隨著電阻的變化，聚乙烯分解的質量平衡。

Wyss表示：“我們在塑料樣品中加入少量灰燼，使其具有導電性，然后通過樣品放電，讓它在十分之一秒內升溫至2500°C左右，接著在幾秒鐘內冷卻下來。這種快速加熱會改變塑料中的化學鍵，將塑料中的碳原子轉變為石墨烯中的碳-碳鍵，氫原子轉變為氫氣。”“這種方法以高效率、無需催化劑或其他溶劑實現廢塑料的循環利用。此外，通過這個方法，我們還能獲得純凈珍貴的石墨烯，這種材料可以用于增強汽車、水泥的性能，甚至制造具柔韌性的電子產品和觸摸屏，目前每噸的價值為6萬至20萬美元。”Wyss補充道。

Wyss的實驗室在Rice University已經研究閃蒸焦耳加熱技術五年之久，最初的研究方向是從塑料中制備石墨烯。但他們后來意識到許多塑料聚合物也含有原子氫。“如果我們最終得到的是100%純碳的石墨烯，那么塑料中的所有氫原子去哪了？”Wyss問道。于是，他們開始研究閃蒸焦耳加熱過程中釋放的揮發性氣體，并驚喜地發現他們可以釋放出近93%的原子氫，并能夠回收高達64%的純氫 —— 產量與目前排放五到六倍CO2的現有工業方法相當。

Wyss表示：“與當前流行的蒸汽甲烷重整化工業方法相比，我們的方法每噸產生的氫氣排放CO2和溫室氣體減少了84%。此外，與目前的‘綠色’氫制備方法（如電解）相比，我們的方法使用更少的能源。

三、市場對氫的需求

氫氣因其每單位重量能夠產生大量能量，同時僅產生水作為副產品。因此成為一種清潔且備受青睞的燃料源。Wyss表示：“這正是使氫氣成為可持續或‘綠色’燃料的原因，與當前使用的天然氣、煤炭或石油燃料相比，后者會釋放大量二氧化碳。而且，與電池或可再生能源不同，氫氣可以快速儲存和加注，無需等待數小時充電。因此，許多汽車制造商正在考慮轉向使用氫燃料。”
2021年，全球氫氣消費量達到驚人的9400萬噸，并且未來10年的需求量預計將激增。盡管氫氣被譽為綠色燃料，但目前主流的生產方式仍依賴于化石燃料。這種生產方式通過一種稱為蒸汽重整的過程來產生氫氣，但這不僅耗能，還會產生大量的CO2排放物。“實際上，每生產1噸工業氫，就會排放10-12噸的CO2。”Wyss指出。

一種新興的替代方案是采用電解的方法來生產氫氣，即使用電力將水分解成其組成元素。雖然電力可以來自可再生能源，如太陽能、風能或地熱能，但確保其可持續性仍然面臨著挑戰。這些過程還需要額外的材料，例如催化劑，并且每公斤氫氣的生產成本約為3-5美元，使其難以與每公斤2美元的重整過程相競爭。Wyss解釋道：“正因如此，我們迫切需要一種高效且低成本的方法來生產氫氣，而不會產生大量的CO2。”

四、綠色發展

塑料廢棄物污染和低碳氫氣生產帶來的挑戰是幾十年前科學家們成功解決了的問題。Wyss說：“在處理塑料廢棄物污染方面，我們已經找到了解決方法。然而，回收塑料的成本非常高昂，需要手動分離不同種類的塑料、清洗廢物，并重新熔化聚合物。由于回收塑料的成本比制造新塑料還要高，缺乏經濟動力進行塑料回收，導致塑料廢棄物污染問題至今未能完全解決。”“對于低碳氫氣的生產，我們已經找到了一種不產生CO2的制造方法。但與傳統產生大量CO2的方法相比，低碳氫氣的生產成本要高出兩到三倍。”Wyss補充道。因此，真正的挑戰不在于找到解決方案，而在于降低解決方案的成本。Wyss及其團隊正在努力解決這個問題。

五、商業前景

這與美國能源部的EarthShot計劃相吻合，該計劃模仿了20世紀60年代的歷史性“MoonshotChallenge”，旨在將人類送上月球。同樣，EarthShot計劃旨在調動資源和創新，實現雄心勃勃的環境目標。

這些目標旨在可擴展、可實現，并旨在解決與氣候變化、生物多樣性喪失、污染和其他環境危機相關的重要問題。他們在網站上寫道：“氣候危機需要一種不同類型的Moonshot。”“能源Earthshots（如氫氣Shot）將在未來十年內加速更豐富、更實惠、更可靠的清潔能源解決方案的突破。”目標是在未來十年內使1公斤干凈的氫氣成本為1美元，其中清潔氫氣的定義是任何產生低于4公斤CO2作為副產品的氫氣。

“我們的研究表明，如果擴大閃蒸焦耳加熱技術的應用，就可以實現將廢塑料轉化為清潔氫氣和石墨烯的目標。”Wyss表示。“目前全球95%的氫氣生產方式每生產1公斤氫氣會產生10-12公斤CO2，而我們的技術僅產生1.8公斤CO2。”

然而，在實現這一目標之前，Wyss承認擴大規模仍然面臨一些問題。由于氫氣是易燃氣體，其安全捕獲和純化需要謹慎的規劃和工程設計。但Wyss對此持樂觀態度。“三年前我們成立了一家名為Universal Matter的公司，致力于擴大閃蒸焦耳加熱技術的應用，以用于石墨烯的生產。”Wyss說道。“在短時間內，我們從每天生產幾克石墨烯擴大到每天生產幾噸石墨烯。我們非常有信心這種氫氣生產方法可以進行類似的規模擴展，因為核心原理是相同的。”

信息來源：MVC.WILEY.CN

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