科技新知：美發明零成本生產氫氣方法

全球每年使用超過9,000萬噸的氫氣，但多數來源於化石燃料，其製造過程也較普通燃料昂貴。這次，美國一所大學的研究人員找到了一種利用塑膠廢物獲取氫氣的方法，其成本要比以傳統製作方法更低廉。

氫氣的提取方法主要有兩種。一種是通過熱裂解化石燃料（甲烷）獲得大量氫氣，但這種方法需要使用較多能量和容易產生大量廢氣；另一種是利用再生能源將水電解成氫氣和氧氣，其污染較低，但需要用到多種貴金屬，因此生產成本要比熱裂解化石燃料方法高出2-3倍。

美國先前庫存留下來的大量廢棄塑膠和每年生產出約380噸的廢棄塑膠，都無法被有效處理。先前人們會將部份塑膠熱解成小分子碳氫化合物後，再進行蒸汽法將其分成氫氣、鈷和二氧化碳，但過程中需要複雜的方法和催化劑才能形成，同時需要大量的能量才能完成。

這次，美國萊斯大學（Rice University）透過「快速閃蒸焦耳加熱」（FJH）方法，將廢棄塑膠物進行4秒鐘的高溫加熱至3,100K（約2,827°C），使廢棄塑膠中多數氫元素（H）蒸發，留下由碳元素構成的高價值石墨烯（由單層碳原子組成）。這種新的製氫方法9月11日發表在《先進材料》上。

研究團隊使用的FJH方法，主要透過快速電流放電來實現電阻器內的加熱，消除緩慢的傳熱步驟，讓加熱溫度能以每秒105K溫度的速度進行升溫。

實驗人員發現，更快的加熱速率和較短的放電時間，會增加氫氣產量，而低電阻和高溫也會增加氫氣產率。若在理想的情況下反應，聚乙烯中所有的碳原子都會轉化為石墨烯，而所有氫原子都會以氫氣的形式釋放出來。

這種FJH製氫方法，過程中既不需要清洗和分類塑膠，也不需要添加催化劑，就可以生產出純度高達94%的氫氣，且能生產出目前每噸6萬至10萬美元的副產物——「石墨烯」和極少量的烴類氣體、石油和蠟。

單層石墨烯本身因稀缺而價格高昂，其本身具有高強度、高延展性和導電性，因此用於塑膠複合材料、氣體、水過濾、能源儲存設備和柔性電子產品。研究人員估算，若以5%的價格（約3,000美元）出售石墨烯，就得以實現用負成本（零成本）生產出源源不斷的氫氣。

另外，FJH製氫方法要比其它氫氣生產方法減少了39%～84%的廢氣放量，這證明該方法是經濟可行的，並有望接近美國能源部之前訂下以1美元的價格生產1公斤氫氣的計劃。

萊斯大學校友凱文·懷斯（Kevin Wyss）博士表示，「我們將那些不需要按類型分類或清洗的混合廢棄塑膠，轉變成有價值的可燃氫和石墨烯。如果我們僅以當前市場價值的5%出售這些石墨烯，就可以用這些錢生產更多的可燃氫。」

他解釋說：「我們知道聚乙烯（PE）是由86%的碳元素和14%的氫元素構成，而我們利用FJH方法，可以收集到聚乙烯中68%的氫元素，其純度為94%。」

該研究得到了美國的陸軍工程師研究與發展中心、空軍科學研究辦公室、國家科學基金會和海軍辦公室的支持。@

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