美发明零成本生产氢气方法

美国莱斯大学的研究人员找到一种利用塑胶废物获取氢气的方法，其成本要比以传统制作方法更低廉。图为美国华盛顿特区阿纳科斯蒂亚公园塑胶类垃圾回收。（Brendan Smialowski / AFP）

全球每年使用超过9,000万吨的氢气，但多数来源于化石燃料，其制造过程也较普通燃料昂贵。这次，美国一所大学的研究人员找到了一种利用塑胶废物获取氢气的方法，其成本要比以传统制作方法更低廉。

氢气的提取方法主要有两种。一种是通过热裂解化石燃料（甲烷）获得大量氢气，但这种方法需要使用较多能量和容易产生大量废气;另一种是利用再生能源将水电解成氢气和氧气，其污染较低，但需要用到多种贵金属，因此生产成本要比热裂解化石燃料方法高出2至3倍。

美国先前库存留下来的大量废弃塑胶和每年生产出约380吨的废弃塑胶，都无法被有效处理。先前人们会将部分塑胶热解成小分子碳氢化合物后，再进行蒸汽法将其分成氢气、钴和二氧化碳，但过程中需要复杂的方法和催化剂才能形成，同时需要大量的能量才能完成。

这次，美国莱斯大学（Rice University）透过“快速闪蒸焦耳加热”（FJH）方法，将废弃塑胶物进行4秒钟的高温加热至3100K（约2827°C），使废弃塑胶中多数氢元素（H）蒸发，留下由碳元素构成的高价值石墨烯（由单层碳原子组成）。这种新的制氢方法9月11日发表在《先进材料》上。

研究团队使用的FJH方法，主要透过快速电流放电来实现电阻器内的加热，消除缓慢的传热步骤，让加热温度能以每秒105K温度的速度进行升温。

实验人员发现，更快的加热速率和较短的放电时间，会增加氢气产量，而低电阻和高温也会增加氢气产率。若在理想的情况下反应，聚乙烯中所有的碳原子都会转化为石墨烯，而所有氢原子都会以氢气的形式释放出来。

这种FJH制氢方法，过程中既不需要清洗和分类塑胶，也不需要添加催化剂，就可以生产出纯度高达94%的氢气，且能生产出目前每吨6万至10万美元的副产物——“石墨烯”和极少量的烃类气体、石油和蜡。

单层石墨烯本身因稀缺而价格高昂，其本身具有高强度、高延展性和导电性，因此用于塑料复合材料、气体、水过滤、能源储存设备和柔性电子产品。研究人员估算，若以5%的价格（约3,000美元）出售石墨烯，就得以实现用负成本（零成本）生产出源源不断的氢气。

另外，FJH制氢方法要比其它氢气生产方法减少了39%～84%的废气放量，这证明该方法是经济可行的，并有望接近美国能源部之前订下以1美元的价格生产1公斤氢气的计划。

莱斯大学校友凯文·怀斯（Kevin Wyss）博士表示，“我们将那些不需要按类型分类或清洗的混合废弃塑胶，转变成有价值的可燃氢和石墨烯。如果我们仅以当前市场价值的5%出售这些石墨烯，就可以用这些钱生产更多的可燃氢。”

他解释说：“我们知道聚乙烯（PE）是由86%的碳元素和14%的氢元素构成，而我们利用FJH方法，可以收集到聚乙烯中68%的氢元素，其纯度为94%。”

该研究得到了美国的陆军工程师研究与发展中心、空军科学研究办公室、国家科学基金会和海军办公室的支持。