Wie durch Blitzerhitzung von Kunststoffabfällen grüner Wasserstoff und Graphen entstehen könnten

Wie durch Blitzerhitzung von Kunststoffabfällen grüner Wasserstoff und Graphen entstehen könnten

Zeitstempel: 8. Oktober 2023, 10:00 Uhr
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Wasserstoff könnte sein ein grüner Kraftstoff der Zukunft, aber derzeit wird es hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen in einem Prozess hergestellt, der viel CO2 erzeugt. Eine neue Technik erzeugt jedoch Wasserstoffgas aus Kunststoffabfällen ohne direkte Kohlenstoffemissionen und erzeugt gleichzeitig wertvolles Graphen als Nebenprodukt.

Batterien sind derzeit der führende Ansatz zur Dekarbonisierung des Transportwesens, doch die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff hat immer noch erhebliche Vorteile. Es verfügt über eine deutlich höhere Energiedichte, was wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen eine größere Reichweite ermöglichen könnte, und das Auftanken mit Wasserstoff erfolgt deutlich schneller als das Aufladen einer Batterie. Es ist auch ein vielversprechender Treibstoff für Schwerindustrien wie die Stahlindustrie das nicht einfach elektrifiziert werden kann und für die langfristige Energiespeicherung nützlich sein könnte.

Die Umweltfreundlichkeit von Wasserstoff hängt jedoch stark davon ab, wie er hergestellt wird. Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von Elektrizität kann nachhaltig sein, wenn sie mit erneuerbarer Energie betrieben wird. Doch der Prozess ist derzeit sehr teuer, und der meiste Wasserstoff wird heute stattdessen durch die Reaktion von Methan aus fossilen Brennstoffen mit Wasserdampf hergestellt, wobei als Nebenprodukt erhebliche Mengen CO2 entstehen.

Ein vielversprechendes neues Verfahren, das von Forschern der Rice University entwickelt wurde, erzeugt Wasserstoff aus Plastikmüll, ohne dabei direkt CO2 auszustoßen. Natürlich müsste auch es mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Doch neben der Gewinnung von Wasserstoff entsteht bei dem Prozess auch Graphen in kommerzieller Qualität als Nebenprodukt, das verkauft werden kann, um die Wasserstoffproduktion zu finanzieren.

„Wir haben Kunststoffabfälle – einschließlich gemischter Kunststoffabfälle, die nicht nach Typ sortiert oder gewaschen werden müssen – in Wasserstoffgas mit hoher Ausbeute und hochwertiges Graphen umgewandelt“, sagte Kevin Wyss, der die Forschung während seiner Doktorarbeit bei Rice leitete. sagte in einer Pressemitteilung. „Wenn das produzierte Graphen zu nur 5 Prozent des aktuellen Marktwertes verkauft wird – ein Rabatt von 95 Prozent –, könnte sauberer Wasserstoff kostenlos produziert werden.“

Der neue Prozess basiert auf einer Technik namens Flash-Joule-Heizung, die im Labor von Rice-Professor James Tour entwickelt wurde. Dabei wird Kunststoff in konfettigroße Stücke zermahlen, mit einem leitfähigen Material vermischt, in ein Rohr gegeben und dann eine sehr hohe Spannung angelegt. Dadurch wird die Mischung in nur 5,000 Sekunden auf etwa 4 Grad Fahrenheit erhitzt, wodurch die Kohlenstoffatome im Kunststoff zu Graphen verschmelzen und eine Mischung aus flüchtigen Gasen freisetzt.

Das Labor konzentrierte sich zunächst auf die Verwendung dieser Technik zur Umwandlung von Kunststoffabfällen in Graphen, und Tour gründete ein Startup namens Universal Matter, um den Prozess zu kommerzialisieren. Doch nach der Analyse der Zusammensetzung der dampfförmigen Nebenprodukte stellte das Team fest, dass sie eine erhebliche Menge Wasserstoffgas mit einer Reinheit von bis zu 94 Prozent enthielten. Die Ergebnisse wurden kürzlich in einer veröffentlicht Papier in Fortgeschrittene Werkstoffe.

Indem der gesamte Kohlenstoff des Kunststoffs in Graphen gebunden wird, erzeugt dieser Ansatz Wasserstoff, ohne CO2 freizusetzen. Und die Wirtschaftlichkeit ist im Vergleich zu anderen Methoden zur Herstellung von grünem Wasserstoff sehr attraktiv – der Rohstoff ist ein Abfallprodukt, und der Verkauf des Graphens für nur einen Bruchteil des aktuellen Marktpreises bedeutet im Wesentlichen, dass der Wasserstoff kostenlos produziert wird.

Es wird zwangsläufig eine Herausforderung sein, den Prozess im industriellen Maßstab zum Laufen zu bringen, sagt Upul Wijayantha von der Cranfield University im Vereinigten Königreich. sagte New Scientist. „Über den Labormaßstab hinaus wissen wir nicht, auf welche Herausforderungen sie stoßen werden, wenn sie große Mengen an Kunststoffen, Gasmischungen und Nebenprodukten wie Graphen verarbeiten“, sagt er.

Dennoch ist Tour optimistisch, dass der Ansatz relativ schnell kommerzialisiert werden könnte. „Sie könnten sicherlich innerhalb von fünf Jahren einen kleineren Einsatz zur Wasserstofferzeugung haben“, sagte er New Scientist. „Sie könnten innerhalb von 10 Minuten eine groß angelegte Bereitstellung durchführen.“

Wenn er recht hat, könnte die neue Technik zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen – sie hilft, Plastikmüll zu bekämpfen und gleichzeitig grüne Kraftstoffe zu produzieren.

Bild-Kredit: Aus Plastikmüll gebildete geschichtete Stapel aus Flash-Graphen. (Kevin Wyss/Tourlabor)

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