Os pesquisadores usaram um método de baixa emissão para extrair hidrogênio e grafeno de resíduos plásticos. Isto não só resolve problemas ambientais, como a poluição plástica e a produção de gases com efeito de estufa, mas o valor do subproduto do grafeno poderia compensar o custo de produção de hidrogénio, dizem. O hidrogênio pode ser usado para alimentar carros, gerar eletricidade e aquecer residências e empresas. O hidrogénio contém mais energia por unidade de peso do que os combustíveis fósseis, o que é importante do ponto de vista ambiental porque a principal causa das emissões globais de gases com efeito de estufa é o dióxido de carbono libertado pela queima de combustíveis fósseis.
Mais de 95% do hidrogénio vendido atualmente é sintetizado através da reforma a vapor do metano, produzindo 11 toneladas (12 toneladas) de dióxido de carbono por tonelada de hidrogénio, a grande maioria dos quais é hidrogénio cinzento. Em comparação, o "hidrogénio verde" produzido através da utilização de fontes de energia renováveis, como a solar, a eólica ou a água para separar a água nos seus elementos, é caro, custando cerca de 5 dólares por duas libras (cerca de um quilograma) de hidrogénio.
Os pesquisadores da Rice University desenvolveram agora uma maneira de coletar hidrogênio e grafeno valiosos de resíduos de plástico usando um método de baixa emissão e sem catalisador que tem potencial para se pagar.
“Neste trabalho, convertemos resíduos plásticos, incluindo resíduos plásticos mistos que não precisam ser separados por tipo ou limpos, em hidrogênio de alto rendimento e grafeno de alto valor”, disse Kevin Wyss, primeiro autor do estudo. “Se o grafeno produzido fosse vendido por apenas 5% do valor atual de mercado – um desconto de 95%! – o hidrogénio limpo poderia ser produzido gratuitamente.”
No processo de reforma a vapor-metano, vapor de alta temperatura (1.292°F a 1.832°F/700°C a 1.000°C) é usado para produzir hidrogênio a partir de fontes de metano, como o gás natural. O metano reage com o vapor sob a ação de um catalisador para produzir hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono.
James Tour, um dos autores correspondentes do estudo, disse: "A principal forma de hidrogénio actualmente em uso é o hidrogénio 'cinzento', que é produzido pela reforma do vapor-metano, um método que produz grandes quantidades de dióxido de carbono. A procura de hidrogénio provavelmente aumentará nas próximas décadas, por isso, se realmente quisermos atingir emissões líquidas zero até 2050, não poderemos mais produzir hidrogénio usando os métodos até à data."
Os resíduos de plástico persistem no meio ambiente por longos períodos de tempo, ameaçando a vida selvagem e espalhando toxinas para animais e humanos. No estudo atual, os pesquisadores expuseram resíduos de plástico ao rápido aquecimento Joule por cerca de 4 segundos. Quando a temperatura sobe para 3.100 Kelvin, o hidrogênio do plástico evapora, deixando para trás o grafeno, um material leve e durável composto por uma única camada de átomos de carbono. O grafeno pode ser utilizado em áreas como eletrônica, armazenamento de energia, sensores, revestimentos, materiais compósitos e dispositivos biomédicos, apenas para citar algumas de suas aplicações.
"Quando descobrimos o aquecimento flash Joule e o aplicamos para transformar resíduos de plástico em grafeno, observamos grandes quantidades de gases voláteis sendo produzidos e ejetados do reator", disse Wyss. “Queríamos saber o que eram, suspeitando de uma mistura de pequenos hidrocarbonetos e hidrogênio, mas não tínhamos instrumentação para estudar sua composição exata”.
Com financiamento do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA, os pesquisadores obtiveram os equipamentos necessários para analisar o conteúdo da gaseificação e, posteriormente, descobriram que suas suspeitas estavam corretas: o processo produzia hidrogênio.
"Por exemplo, sabemos que o polietileno é composto de 86% de carbono e 14% de hidrogênio, e mostramos que podemos recuperar até 68% do hidrogênio atômico contido nele como um gás com pureza de 94%. Para mim, desenvolver métodos e conhecimentos para caracterizar e quantificar todos os gases produzidos por este método, incluindo o hidrogênio, tem sido um processo difícil, mas gratificante", disse Wyss.
Os investigadores afirmam que o seu método produz menos emissões do que outros métodos de produção de hidrogénio, com base numa avaliação do ciclo de vida. A avaliação do ciclo de vida é uma técnica usada para analisar o impacto ambiental geral e os requisitos de recursos associados aos métodos de produção.
Em comparação com outros métodos de produção de hidrogénio a partir de resíduos de plástico ou da desconstrução de biomassa, o processo de produção de hidrogénio flash proporciona melhorias tanto nos requisitos cumulativos de energia (33-95% de redução de energia) como nas emissões de gases com efeito de estufa (65-89% de redução de emissões). Os pesquisadores dizem que um benefício de seu processo de aquecimento flash-Joule é que os resíduos de plástico não precisam ser limpos ou separados, permitindo que o material residual seja usado para produzir hidrogênio limpo a um custo negativo. Eles planejam compreender melhor o mecanismo de aquecimento flash Joule para melhorar sua escalabilidade e otimizar a produção de hidrogênio.