Waterstof wordt gezien als een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen, maar de methodes die worden gebruikt om het te maken genereren te veel kooldioxide of zijn te duur. Onderzoekers van de Rice University hebben een manier gevonden om waterstof te oogsten uit plastic afval met behulp van een emissiearme methode die zichzelf ruimschoots kan terugbetalen.

“In dit werk hebben we afvalplastics ⎯ inclusief gemengde afvalplastics die niet op soort gesorteerd of gewassen hoeven te worden ⎯ omgezet in waterstofgas met een hoge opbrengst en hoogwaardig grafeen,” zegt Kevin Wyss, een promovendus van Rice en hoofdauteur van een studie die is gepubliceerd in Advanced Materials. “Als het geproduceerde grafeen wordt verkocht voor slechts 5% van de huidige marktwaarde ⎯ een 95% korting! ⎯ zou schone waterstof gratis geproduceerd kunnen worden.”

Ter vergelijking, ‘groene’ waterstof ⎯ geproduceerd met behulp van hernieuwbare energiebronnen om water te splitsen in de twee samenstellende elementen ⎯ kost ruwweg $ 5 voor iets meer dan twee pond. Hoewel goedkoper, was het grootste deel van de bijna 100 miljoen ton waterstof die in 2022 wereldwijd werd gebruikt afkomstig van fossiele brandstoffen, waarvan de productie ruwweg 12 ton kooldioxide per ton waterstof genereerde.

“De belangrijkste vorm van waterstof die vandaag de dag wordt gebruikt is ‘grijze’ waterstof, die wordt geproduceerd door middel van stoom-methaan reforming, een methode die veel kooldioxide genereert,” zegt James Tour, Rice’s T. T. en W. F. Chao Professor of Chemistry en hoogleraar materiaalwetenschappen en nanotechnologie. “De vraag naar waterstof zal de komende decennia waarschijnlijk explosief stijgen, dus we kunnen het niet op dezelfde manier blijven maken als we tot nu toe hebben gedaan, als we serieus streven naar netto nul emissies in 2050.”

De onderzoekers stelden plastic afvalmonsters bloot aan snelle flash Joule-verwarming gedurende ongeveer vier seconden, waardoor hun temperatuur steeg tot 3100 graden Kelvin. Het proces verdampt de waterstof die aanwezig is in plastic en laat grafeen ⎯ achter, een extreem licht, duurzaam materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen.

“Toen we voor het eerst de flits Joule-verwarming ontdekten en het toepasten om afvalplastic te upcyclen tot grafeen, zagen we dat er veel vluchtige gassen werden geproduceerd en uit de reactor schoten,” zei Wyss. “We vroegen ons af wat het waren en vermoedden een mix van kleine koolwaterstoffen en waterstof, maar we hadden niet de instrumenten om de exacte samenstelling te bestuderen.”

Met behulp van financiering van het United States Army Corps of Engineers kocht het Tour-lab de benodigde apparatuur om de verdampte inhoud te karakteriseren.

“We weten bijvoorbeeld dat polyethyleen voor 86% uit koolstof en voor 14% uit waterstof bestaat en we hebben aangetoond dat we tot 68% van dat atomaire waterstof kunnen terugwinnen als gas met een zuiverheid van 94%”, aldus Wyss. “Het ontwikkelen van de methoden en expertise om alle gassen, inclusief waterstof, die door deze methode worden geproduceerd te karakteriseren en kwantificeren was voor mij een moeilijk maar lonend proces.

Beeld van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) van gelaagde stapelingen van nano-schaal vellen flash-grafeen gevormd uit afvalplastic. (Afbeelding met dank aan Kevin Wyss/Tour lab)
“Ik ben blij dat de technieken die ik heb geleerd en gebruikt in dit werk ⎯ met name levenscyclusanalyse en gaschromatografie ⎯ kunnen worden toegepast op andere projecten in onze groep. Ik hoop dat dit werk de productie van schone waterstof uit afvalplastics mogelijk maakt, waardoor mogelijk grote milieuproblemen zoals plasticvervuiling en de broeikasgasintensieve productie van waterstof door stoom-methaanreforming worden opgelost.”

Foto: onderzoekers James Tour (links) en Kevin Wyss (Foto door Gustavo Raskosky/Rice University)