研究者らは、廃プラスチックから水素とグラフェンを抽出するために低排出法を使用した。これによりプラスチック汚染や温室効果ガスの発生などの環境問題が解決されるだけでなく、副産物のグラフェンの価値が水素製造コストを相殺できる可能性があるという。水素は、自動車の動力、発電、家庭や企業の暖房に使用できます。水素は化石燃料よりも単位重量あたりのエネルギーを多く含みます。地球規模の温室効果ガス排出の主な原因は化石燃料の燃焼によって放出される二酸化炭素であるため、これは環境の観点から重要です。
現在販売されている水素の 95% 以上は水蒸気メタン改質によって合成されており、水素 1 トンあたり 11 トン（12 トン）の二酸化炭素が生成され、その大部分が灰色の水素です。これと比較すると、太陽光、風力、水などの再生可能エネルギー源を利用して水を成分に分離して生成される「グリーン水素」は高価で、水素2ポンド（約1キログラム）あたり約5ドルかかる。
ライス大学の研究者らは現在、低排出で触媒を使用しない方法を使用して、廃プラスチックから貴重な水素とグラフェンを回収する方法を開発しました。これは、自費で採算が取れる可能性があります。
「この研究では、種類ごとに分別したり洗浄する必要のない混合廃プラスチックを含む廃プラスチックを、高収量の水素と高価値のグラフェンに変換します」と研究の筆頭著者であるケビン・ウィス氏は述べた。 「製造されたグラフェンが現在の市場価格のわずか 5%、つまり 95% 割引で販売されれば、クリーンな水素を無料で製造できるでしょう。」
水蒸気メタン改質プロセスでは、高温水蒸気 (1292°F ～ 1832°F/700°C ～ 1000°C) を使用して、天然ガスなどのメタン源から水素を製造します。メタンは触媒の作用下で水蒸気と反応して、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成します。
この研究の責任著者の一人であるジェームズ・ツアー氏は、「現在使用されている水素の主な形態は、大量の二酸化炭素を生成する水蒸気メタン改質法で製造される『灰色』水素である。水素の需要は今後数十年で急増する可能性が高いため、本当に2050年までに実質ゼロ排出を達成したいのであれば、これまでの方法では水素を製造することはできなくなる」と述べた。
廃プラスチックは環境中に長期間残留し、野生生物を脅かし、動物や人間に毒素を広めます。今回の研究では、研究者らは廃プラスチックを急速なフラッシュジュール加熱に約4秒間さらした。温度が 3,100 ケルビンまで上昇すると、プラスチック内の水素が蒸発し、炭素原子の単層で構成される軽量で耐久性のある素材であるグラフェンが残ります。グラフェンは、その用途のほんの一部を挙げると、エレクトロニクス、エネルギー貯蔵、センサー、コーティング、複合材料、生物医学機器などの分野で使用できます。
「フラッシュジュール加熱を初めて発見し、廃プラスチックをグラフェンにアップサイクルするためにそれを適用したとき、大量の揮発性ガスが生成され、反応器から排出されるのを観察しました」とウィス氏は述べた。 「私たちは、小さな炭化水素と水素の混合物ではないかと考え、それらが何であるかを知りたかったのですが、正確な組成を研究するための機器が不足していました。」
米陸軍工兵隊からの資金提供を受けて、研究者らはガス化内容の分析に必要な機器を入手し、後にその疑いが正しかったことが判明した。つまり、このプロセスで水素が生成されたのだ。
「例えば、私たちはポリエチレンが86パーセントの炭素と14パーセントの水素で構成されていることを知っており、その中の原子状水素の最大68パーセントを純度94パーセントのガスとして回収できることを示しました。私にとって、この方法で生成される水素を含むすべてのガスを特徴づけ、定量するための方法と専門知識を開発することは、難しいですがやりがいのあるプロセスでした」とウィス氏は語った。
研究者らは、ライフサイクル評価に基づいて、彼らの方法は他の水素製造方法よりも排出量が少ないと述べています。ライフサイクル評価は、生産方法に関連する全体的な環境への影響とリソース要件を分析するために使用される手法です。
廃プラスチックやバイオマス分解による他の水素製造方法と比較して、フラッシュ水素製造プロセスは、累積エネルギー必要量（33 ～ 95% のエネルギー削減）と温室効果ガス排出量（65 ～ 89% の排出量削減）の両方を改善します。研究者らは、フラッシュジュール加熱プロセスの利点は、廃プラスチックを洗浄したり分離したりする必要がなく、スクラップ材料を使用してマイナスコストでクリーンな水素を生成できることだと述べている。彼らは、フラッシュ ジュール加熱メカニズムをさらに理解し、拡張性を向上させ、水素生成を最適化する予定です。