Gratis waterstof als ‘bijvangst’ bij productie grafeen uit afvalplastic

Onderzoekers van Rice University hebben een manier gevonden om grafeen uit plastic afval te winnen met lage emissies. Met gratis waterstof als ‘bijvangst’.

“In dit werk hebben we afvalplastic ⎯ inclusief gemengd afvalplastic dat niet op type hoeft te worden gesorteerd of gewassen ⎯ omgezet in waterstofgas met hoge opbrengst en hoogwaardig grafeen”, zegt Kevin Wyss, alumnus van Rice-doctoraat en hoofd auteur van een studie gepubliceerd in Advanced Materials. “Als het geproduceerde grafeen wordt verkocht tegen slechts 5% van de huidige marktwaarde ⎯ een korting van 95%! ⎯ zou de schone waterstof gratis geproduceerd kunnen worden.”

Ter vergelijking: ‘groene’ waterstof ⎯ geproduceerd met behulp van hernieuwbare energiebronnen om water in de twee samenstellende elementen te splitsen ⎯ kost ongeveer 5 dollar voor iets meer dan een kilo. Hoewel goedkoper, was het grootste deel van de bijna 100 miljoen ton waterstof die in 2022 wereldwijd werd gebruikt afkomstig van fossiele brandstoffen, waarbij de productie ongeveer 12 ton kooldioxide per ton waterstof genereerde.

“De belangrijkste vorm van waterstof die tegenwoordig wordt gebruikt is ‘grijze’ waterstof, die wordt geproduceerd door middel van stoom-methaanreforming, een methode die veel kooldioxide genereert”, zegt James Tour, hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering. “De vraag naar waterstof zal de komende decennia waarschijnlijk omhoogschieten, dus we kunnen het niet op dezelfde manier blijven doen als we tot nu toe hebben gedaan als we de uitstoot serieus naar nul willen terugbrengen in 2050.”

Joule-verwarming

De onderzoekers stelden monsters plastic afval gedurende vier seconden bloot aan snelle Joule-verwarming, waarbij de temperatuur opliep tot 2800 graden Celsius. Het proces verdampt de waterstof die aanwezig is in kunststoffen, waardoor grafeen overblijft.

“Toen we voor het eerst flash-joule-verwarming ontdekten en toepasten om afvalplastic te upcyclen tot grafeen, zagen we dat er veel vluchtige gassen werden geproduceerd en uit de reactor schoten”, zegt Wyss. “We vroegen ons af wat ze waren, omdat we een mengsel van kleine koolwaterstoffen en waterstof vermoedden, maar we hadden niet de instrumenten om hun exacte samenstelling te bestuderen.”

Met financiering van het United States Army Corps of Engineers verwierf het lab de benodigde apparatuur om de verdampte inhoud te karakteriseren.

“We weten bijvoorbeeld dat polyethyleen voor 86% uit koolstof en voor 14% uit waterstof bestaat, en we hebben aangetoond dat we tot 68% van die atomaire waterstof als gas kunnen terugwinnen met een zuiverheid van 94%”, aldus Wyss. “Het ontwikkelen van de methoden en expertise om alle gassen, inclusief waterstof, die met deze methode worden geproduceerd, te karakteriseren en kwantificeren, was voor mij een moeilijk maar lonend proces.

“Ik ben blij dat de technieken die ik in dit werk heb geleerd en gebruikt ⎯ met name levenscyclusanalyse en gaschromatografie ⎯ kunnen worden toegepast op andere projecten in onze groep. Ik hoop dat dit werk de productie van schone waterstof uit afvalplastic mogelijk zal maken, waardoor mogelijk grote milieuproblemen zoals plasticvervuiling en de broeikasgasintensieve productie van waterstof door stoom-methaan reforming zullen worden opgelost.”