Los investigadores han utilizado un método de bajas emisiones para extraer hidrógeno y grafeno de los residuos plásticos. Esto no sólo resuelve problemas medioambientales como la contaminación plástica y la producción de gases de efecto invernadero, sino que el valor del subproducto grafeno podría compensar el coste de producir hidrógeno, afirman. El hidrógeno se puede utilizar para impulsar automóviles, generar electricidad y calentar hogares y empresas. El hidrógeno contiene más energía por unidad de peso que los combustibles fósiles, lo cual es importante desde una perspectiva ambiental porque la principal causa de las emisiones globales de gases de efecto invernadero es el dióxido de carbono liberado al quemar combustibles fósiles.
Más del 95% del hidrógeno que se vende actualmente se sintetiza mediante reformado de metano con vapor, lo que produce 11 toneladas (12 toneladas) de dióxido de carbono por tonelada de hidrógeno, la gran mayoría del cual es hidrógeno gris. En comparación, el "hidrógeno verde" producido mediante el uso de fuentes de energía renovables como la solar, la eólica o el agua para separar el agua en sus elementos es caro y cuesta alrededor de 5 dólares por dos libras (aproximadamente un kilogramo) de hidrógeno.
Investigadores de la Universidad Rice han desarrollado una forma de recolectar hidrógeno y grafeno valiosos a partir de residuos de plástico utilizando un método de bajas emisiones y sin catalizadores que tiene el potencial de amortizarse por sí solo.
"En este trabajo, convertimos los plásticos de desecho, incluidos los plásticos de desecho mixtos que no necesitan clasificarse por tipo ni limpiarse, en hidrógeno de alto rendimiento y grafeno de alto valor", dijo Kevin Wyss, primer autor del estudio. "Si el grafeno producido se vendiera por sólo el 5% del valor actual de mercado (¡un descuento del 95%!), se podría producir hidrógeno limpio de forma gratuita".
En el proceso de reformado con vapor-metano, se utiliza vapor a alta temperatura (1292 °F a 1832 °F/700 °C a 1000 °C) para producir hidrógeno a partir de fuentes de metano como el gas natural. El metano reacciona con el vapor bajo la acción de un catalizador para producir hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono.
James Tour, uno de los autores correspondientes del estudio, dijo: "La principal forma de hidrógeno actualmente en uso es el hidrógeno 'gris', que se produce mediante reformado con vapor-metano, un método que produce grandes cantidades de dióxido de carbono. Es probable que la demanda de hidrógeno aumente en las próximas décadas, por lo que si realmente queremos lograr emisiones netas cero para 2050, ya no podemos producir hidrógeno utilizando los métodos hasta la fecha".
Los residuos de plástico persisten en el medio ambiente durante largos períodos de tiempo, amenazando la vida silvestre y propagando toxinas a animales y humanos. En el estudio actual, los investigadores expusieron los residuos de plástico a un rápido calentamiento Joule durante aproximadamente 4 segundos. Cuando la temperatura sube a 3.100 Kelvin, el hidrógeno del plástico se evapora, dejando atrás el grafeno, un material ligero y duradero compuesto por una sola capa de átomos de carbono. El grafeno se puede utilizar en áreas como la electrónica, el almacenamiento de energía, sensores, recubrimientos, materiales compuestos y dispositivos biomédicos, sólo por nombrar algunas de sus aplicaciones.
"Cuando descubrimos por primera vez el calentamiento flash Joule y lo aplicamos para reciclar plásticos de desecho y convertirlos en grafeno, observamos que se producían y expulsaban grandes cantidades de gases volátiles del reactor", dijo Wyss. "Queríamos saber qué eran, sospechando una mezcla de pequeños hidrocarburos e hidrógeno, pero carecíamos de los instrumentos para estudiar su composición exacta".
Con financiación del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., los investigadores obtuvieron el equipo necesario para analizar el contenido de la gasificación y luego descubrieron que sus sospechas eran correctas: el proceso producía hidrógeno.
"Por ejemplo, sabemos que el polietileno está compuesto de 86 por ciento de carbono y 14 por ciento de hidrógeno, y hemos demostrado que podemos recuperar hasta el 68 por ciento del hidrógeno atómico que contiene como gas con una pureza del 94 por ciento. Para mí, desarrollar los métodos y la experiencia para caracterizar y cuantificar todos los gases producidos por este método, incluido el hidrógeno, ha sido un proceso difícil pero gratificante", dijo Wyss.
Los investigadores dicen que su método produce menos emisiones que otros métodos de producción de hidrógeno, basándose en una evaluación del ciclo de vida. La evaluación del ciclo de vida es una técnica utilizada para analizar el impacto ambiental general y los requisitos de recursos asociados con los métodos de producción.
En comparación con otros métodos de producción de hidrógeno a partir de residuos de plástico o deconstrucción de biomasa, el proceso de producción instantánea de hidrógeno proporciona mejoras tanto en los requisitos energéticos acumulativos (reducción de energía del 33-95%) como en las emisiones de gases de efecto invernadero (reducción de emisiones del 65-89%). Los investigadores dicen que un beneficio de su proceso de calentamiento flash-Joule es que no es necesario limpiar ni separar los plásticos de desecho, lo que permite utilizar el material de desecho para producir hidrógeno limpio a un costo negativo. Planean comprender mejor el mecanismo de calentamiento flash Joule para mejorar su escalabilidad y optimizar la producción de hidrógeno.