Les chercheurs ont utilisé une méthode à faibles émissions pour extraire l’hydrogène et le graphène des déchets plastiques. Non seulement cela résout des problèmes environnementaux tels que la pollution plastique et la production de gaz à effet de serre, mais la valeur du sous-produit graphène pourrait compenser le coût de production de l'hydrogène, affirment-ils. L’hydrogène peut être utilisé pour alimenter les voitures, produire de l’électricité et chauffer les maisons et les entreprises. L'hydrogène contient plus d'énergie par unité de poids que les combustibles fossiles, ce qui est important d'un point de vue environnemental, car la principale cause des émissions mondiales de gaz à effet de serre est le dioxyde de carbone libéré par la combustion de combustibles fossiles.
Plus de 95 % de l’hydrogène actuellement vendu est synthétisé par reformage du méthane à la vapeur, produisant 11 tonnes (12 tonnes) de dioxyde de carbone par tonne d’hydrogène, dont la grande majorité est de l’hydrogène gris. En comparaison, « l’hydrogène vert » produit en utilisant des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire, éolienne ou hydraulique pour séparer l’eau en ses éléments est coûteux, coûtant environ 5 dollars par deux livres (environ un kilogramme) d’hydrogène.
Les chercheurs de l’Université Rice ont maintenant développé un moyen de récolter l’hydrogène et le graphène précieux des déchets plastiques en utilisant une méthode à faibles émissions et sans catalyseur qui a le potentiel d’être rentabilisée.
"Dans ce travail, nous transformons les déchets plastiques, y compris les déchets plastiques mélangés qui n'ont pas besoin d'être triés par type ou nettoyés, en hydrogène à haut rendement et en graphène de grande valeur", a déclaré Kevin Wyss, premier auteur de l'étude. "Si le graphène produit était vendu pour seulement 5 % de la valeur marchande actuelle - soit une réduction de 95 % ! - de l'hydrogène propre pourrait être produit gratuitement."
Dans le processus de reformage de vapeur-méthane, de la vapeur à haute température (1 292 °F à 1 832 °F/700 °C à 1 000 °C) est utilisée pour produire de l'hydrogène à partir de sources de méthane telles que le gaz naturel. Le méthane réagit avec la vapeur sous l'action d'un catalyseur pour produire de l'hydrogène, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone.
James Tour, l'un des auteurs correspondants de l'étude, a déclaré : « La principale forme d'hydrogène actuellement utilisée est l'hydrogène « gris », qui est produit par reformage à la vapeur du méthane, une méthode qui produit de grandes quantités de dioxyde de carbone. La demande d'hydrogène est susceptible d'augmenter dans les décennies à venir, donc si nous voulons vraiment atteindre zéro émission nette d'ici 2050, nous ne pouvons plus produire d'hydrogène en utilisant les méthodes actuelles.
Les déchets plastiques persistent dans l’environnement pendant de longues périodes, menaçant la faune et propageant des toxines aux animaux et aux humains. Dans la présente étude, les chercheurs ont exposé les déchets plastiques à un chauffage rapide par Joule pendant environ 4 secondes. Lorsque la température atteint 3 100 Kelvin, l’hydrogène contenu dans le plastique s’évapore, laissant derrière lui du graphène, un matériau léger et durable composé d’une seule couche d’atomes de carbone. Le graphène peut être utilisé dans des domaines tels que l'électronique, le stockage d'énergie, les capteurs, les revêtements, les matériaux composites et les dispositifs biomédicaux, pour ne citer que quelques-unes de ses applications.
"Lorsque nous avons découvert pour la première fois le chauffage Flash Joule et l'avons appliqué pour recycler les déchets plastiques en graphène, nous avons observé de grandes quantités de gaz volatils produits et éjectés du réacteur", a déclaré Wyss. "Nous voulions savoir de quoi il s'agissait, soupçonnant un mélange de petits hydrocarbures et d'hydrogène, mais nous manquions d'instruments pour étudier leur composition exacte."
Grâce au financement du Corps des ingénieurs de l’armée américaine, les chercheurs ont obtenu l’équipement nécessaire pour analyser le contenu de la gazéification et ont découvert plus tard que leurs soupçons étaient fondés : le processus produisait de l’hydrogène.
"Par exemple, nous savons que le polyéthylène est composé de 86 pour cent de carbone et de 14 pour cent d'hydrogène, et nous avons montré que nous pouvons récupérer jusqu'à 68 pour cent de l'hydrogène atomique qu'il contient sous forme de gaz avec une pureté de 94 pour cent. Pour moi, développer les méthodes et l'expertise nécessaires pour caractériser et quantifier tous les gaz produits par cette méthode, y compris l'hydrogène, a été un processus difficile mais enrichissant", a déclaré Wyss.
Les chercheurs affirment que leur méthode produit moins d’émissions que les autres méthodes de production d’hydrogène, sur la base d’une évaluation du cycle de vie. L'analyse du cycle de vie est une technique utilisée pour analyser l'impact environnemental global et les besoins en ressources associés aux méthodes de production.
Comparé à d'autres méthodes de production d'hydrogène à partir de déchets plastiques ou de déconstruction de la biomasse, le processus de production flash d'hydrogène permet d'améliorer à la fois les besoins énergétiques cumulés (réduction d'énergie de 33 à 95 %) et les émissions de gaz à effet de serre (réduction des émissions de 65 à 89 %). Les chercheurs affirment que l’un des avantages de leur processus de chauffage flash-Joule est que les déchets plastiques n’ont pas besoin d’être nettoyés ou séparés, ce qui permet d’utiliser les déchets pour produire de l’hydrogène propre à un coût négatif. Ils prévoient de mieux comprendre le mécanisme de chauffage flash Joule pour améliorer son évolutivité et optimiser la production d’hydrogène.