當(dāng)前，氣候危機(jī)、污染和生態(tài)系統(tǒng)退化等環(huán)境挑戰(zhàn)的影響日益顯著，迫切需要多方面的創(chuàng)新解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜問題。

近期，美國(guó)RiceUniversity材料科學(xué)與納米工程系的Boris Yakobson和James Tour領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在Advanced Materials上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究。他們采用一種全新技術(shù)將廢塑料轉(zhuǎn)化為清潔氫和高純度石墨烯，且不產(chǎn)生任何二氧化碳（CO2）。

“如果我們能把廢塑料轉(zhuǎn)化為比再生塑料更有價(jià)值的物質(zhì)，并同時(shí)捕獲其中儲(chǔ)存的氫，會(huì)怎么樣呢？”SLB（前身為Schlumberger）的化學(xué)家Kevin Wyss問道，他在博士論文中完成了這個(gè)項(xiàng)目。這個(gè)想法催生出了一項(xiàng)具有革命性的解決方案，不僅可以減輕環(huán)境損害，還能利用廢棄材料中潛藏的價(jià)值。

他們采用了一種前沿技術(shù)-閃蒸焦耳加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)塑料再利用。該技術(shù)通過電流在具有電阻的材料中流動(dòng)來(lái)迅速將材料加熱到極高溫度，只需幾秒鐘就可達(dá)到高達(dá)數(shù)千開爾文的溫度。

如上圖所示，不使用催化劑的聚乙烯分解產(chǎn)生瞬間氫氣和石墨烯。a) 示意圖顯示了典型的閃電焦耳加熱過程，用于將廢塑料轉(zhuǎn)化為瞬間氫氣。插圖顯示了在初始電阻為6歐姆的樣本上，通過四次迭代處理分解廢塑料過程中電流放電作為時(shí)間的函數(shù)。圖中展示了處理前塑料樣本的電阻（黑色曲線）和在閃電+處理過程中達(dá)到的峰值溫度（紅色曲線）作為含有廢聚乙烯的導(dǎo)電碳黑混合物的函數(shù)。誤差條代表標(biāo)準(zhǔn)偏差，N=3。b) 聚乙烯的閃電+分解中，初始樣本電阻、氫氣產(chǎn)量（黑色曲線）和氫氣效率（紅色曲線）之間的關(guān)系。氫氣效率是所有氣相產(chǎn)品中原子氫總質(zhì)量與起始聚合物中原子氫含量的比較。誤差條代表標(biāo)準(zhǔn)偏差，N=3。c) 初始樣本電阻與由聚乙烯分解產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)品和氫氣及石墨烯產(chǎn)量之間的關(guān)系，其中條形圖對(duì)應(yīng)于氣體的偏壓，而折線圖對(duì)應(yīng)于相比起始混合物中的原子氫和碳的氫氣（黑色曲線）或石墨烯（藍(lán)色曲線）產(chǎn)量。d) 隨著電阻的變化，聚乙烯分解的質(zhì)量平衡。

Wyss表示：“我們?cè)谒芰蠘悠分屑尤肷倭炕覡a，使其具有導(dǎo)電性，然后通過樣品放電，讓它在十分之一秒內(nèi)升溫至2500°C左右，接著在幾秒鐘內(nèi)冷卻下來(lái)。這種快速加熱會(huì)改變塑料中的化學(xué)鍵，將塑料中的碳原子轉(zhuǎn)變?yōu)槭┲械奶?span style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">-碳鍵，氫原子轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃狻?span style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">”“這種方法以高效率、無(wú)需催化劑或其他溶劑實(shí)現(xiàn)廢塑料的循環(huán)利用。此外，通過這個(gè)方法，我們還能獲得純凈珍貴的石墨烯，這種材料可以用于增強(qiáng)汽車、水泥的性能，甚至制造具柔韌性的電子產(chǎn)品和觸摸屏，目前每噸的價(jià)值為6萬(wàn)至20萬(wàn)美元。”Wyss補(bǔ)充道。

Wyss的實(shí)驗(yàn)室在Rice University已經(jīng)研究閃蒸焦耳加熱技術(shù)五年之久，最初的研究方向是從塑料中制備石墨烯。但他們后來(lái)意識(shí)到許多塑料聚合物也含有原子氫。“如果我們最終得到的是100%純碳的石墨烯，那么塑料中的所有氫原子去哪了？”Wyss問道。于是，他們開始研究閃蒸焦耳加熱過程中釋放的揮發(fā)性氣體，并驚喜地發(fā)現(xiàn)他們可以釋放出近93%的原子氫，并能夠回收高達(dá)64%的純氫 —— 產(chǎn)量與目前排放五到六倍CO2的現(xiàn)有工業(yè)方法相當(dāng)。

Wyss表示：“與當(dāng)前流行的蒸汽甲烷重整化工業(yè)方法相比，我們的方法每噸產(chǎn)生的氫氣排放CO2和溫室氣體減少了84%。此外，與目前的‘綠色’氫制備方法（如電解）相比，我們的方法使用更少的能源。

三、市場(chǎng)對(duì)氫的需求

氫氣因其每單位重量能夠產(chǎn)生大量能量，同時(shí)僅產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品。因此成為一種清潔且備受青睞的燃料源。Wyss表示：“這正是使氫氣成為可持續(xù)或‘綠色’燃料的原因，與當(dāng)前使用的天然氣、煤炭或石油燃料相比，后者會(huì)釋放大量二氧化碳。而且，與電池或可再生能源不同，氫氣可以快速儲(chǔ)存和加注，無(wú)需等待數(shù)小時(shí)充電。因此，許多汽車制造商正在考慮轉(zhuǎn)向使用氫燃料。”
2021年，全球氫氣消費(fèi)量達(dá)到驚人的9400萬(wàn)噸，并且未來(lái)10年的需求量預(yù)計(jì)將激增。盡管氫氣被譽(yù)為綠色燃料，但目前主流的生產(chǎn)方式仍依賴于化石燃料。這種生產(chǎn)方式通過一種稱為蒸汽重整的過程來(lái)產(chǎn)生氫氣，但這不僅耗能，還會(huì)產(chǎn)生大量的CO2排放物。“實(shí)際上，每生產(chǎn)1噸工業(yè)氫，就會(huì)排放10-12噸的CO2。”Wyss指出。

一種新興的替代方案是采用電解的方法來(lái)生產(chǎn)氫氣，即使用電力將水分解成其組成元素。雖然電力可以來(lái)自可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能或地?zé)崮埽_保其可持續(xù)性仍然面臨著挑戰(zhàn)。這些過程還需要額外的材料，例如催化劑，并且每公斤氫氣的生產(chǎn)成本約為3-5美元，使其難以與每公斤2美元的重整過程相競(jìng)爭(zhēng)。Wyss解釋道：“正因如此，我們迫切需要一種高效且低成本的方法來(lái)生產(chǎn)氫氣，而不會(huì)產(chǎn)生大量的CO2?！?br style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important"/>
四、綠色發(fā)展

塑料廢棄物污染和低碳?xì)錃馍a(chǎn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)是幾十年前科學(xué)家們成功解決了的問題。Wyss說(shuō)：“在處理塑料廢棄物污染方面，我們已經(jīng)找到了解決方法。然而，回收塑料的成本非常高昂，需要手動(dòng)分離不同種類的塑料、清洗廢物，并重新熔化聚合物。由于回收塑料的成本比制造新塑料還要高，缺乏經(jīng)濟(jì)動(dòng)力進(jìn)行塑料回收，導(dǎo)致塑料廢棄物污染問題至今未能完全解決?！薄皩?duì)于低碳?xì)錃獾纳a(chǎn)，我們已經(jīng)找到了一種不產(chǎn)生CO2的制造方法。但與傳統(tǒng)產(chǎn)生大量CO2的方法相比，低碳?xì)錃獾纳a(chǎn)成本要高出兩到三倍。”Wyss補(bǔ)充道。因此，真正的挑戰(zhàn)不在于找到解決方案，而在于降低解決方案的成本。Wyss及其團(tuán)隊(duì)正在努力解決這個(gè)問題。

五、商業(yè)前景

這與美國(guó)能源部的EarthShot計(jì)劃相吻合，該計(jì)劃模仿了20世紀(jì)60年代的歷史性“MoonshotChallenge”，旨在將人類送上月球。同樣，EarthShot計(jì)劃旨在調(diào)動(dòng)資源和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)雄心勃勃的環(huán)境目標(biāo)。

這些目標(biāo)旨在可擴(kuò)展、可實(shí)現(xiàn)，并旨在解決與氣候變化、生物多樣性喪失、污染和其他環(huán)境危機(jī)相關(guān)的重要問題。他們?cè)诰W(wǎng)站上寫道：“氣候危機(jī)需要一種不同類型的Moonshot。”“能源Earthshots（如氫氣Shot）將在未來(lái)十年內(nèi)加速更豐富、更實(shí)惠、更可靠的清潔能源解決方案的突破。”目標(biāo)是在未來(lái)十年內(nèi)使1公斤干凈的氫氣成本為1美元，其中清潔氫氣的定義是任何產(chǎn)生低于4公斤CO2作為副產(chǎn)品的氫氣。

“我們的研究表明，如果擴(kuò)大閃蒸焦耳加熱技術(shù)的應(yīng)用，就可以實(shí)現(xiàn)將廢塑料轉(zhuǎn)化為清潔氫氣和石墨烯的目標(biāo)。”Wyss表示。“目前全球95%的氫氣生產(chǎn)方式每生產(chǎn)1公斤氫氣會(huì)產(chǎn)生10-12公斤CO2，而我們的技術(shù)僅產(chǎn)生1.8公斤CO2。”

然而，在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)之前，Wyss承認(rèn)擴(kuò)大規(guī)模仍然面臨一些問題。由于氫氣是易燃?xì)怏w，其安全捕獲和純化需要謹(jǐn)慎的規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)。但Wyss對(duì)此持樂觀態(tài)度。“三年前我們成立了一家名為Universal Matter的公司，致力于擴(kuò)大閃蒸焦耳加熱技術(shù)的應(yīng)用，以用于石墨烯的生產(chǎn)。”Wyss說(shuō)道。“在短時(shí)間內(nèi)，我們從每天生產(chǎn)幾克石墨烯擴(kuò)大到每天生產(chǎn)幾噸石墨烯。我們非常有信心這種氫氣生產(chǎn)方法可以進(jìn)行類似的規(guī)模擴(kuò)展，因?yàn)楹诵脑硎窍嗤摹?span style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">”

信息來(lái)源：MVC.WILEY.CN

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