Hydro được coi là một giải pháp thay thế tiềm năng cho nhiên liệu hóa thạch, nhưng các phương pháp sản xuất hydro hiện nay tạo ra quá nhiều carbon dioxide hoặc có giá thành quá cao.

Các lớp tấm graphene flash có kích thước nano, hình thành từ nhựa phế thải dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM). Ảnh: Kevin Wyss/Phòng thí nghiệm Tour

Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học thuộc Đại học William Marsh Rice (Đại học Rice) ở Texas, Mỹ đã tìm ra kỹ thuật thu hydro từ rác thải nhựa bằng phương pháp có phát thải khí nhà kính thấp và chi phí phù hợp.

Kevin Wyss, cựu nghiên cứu sinh TS Đại học Rice, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi có thể chuyển đổi nhựa phế thải, bao gồm cả rác thải nhựa hỗn hợp không cần phải phân loại hoặc rửa sạch, thành khí hydro với hiệu suất cao và vật liệu graphene có giá trị cao. Nếu vật liệu graphene, sản xuất trong quá trình chuyển đối được bán với giá chỉ bằng 5% giá trên thị trường hiện nay, giảm tới 95% thì hydro sạch được coi là sản xuất miễn phí.” Công trình nghiên cứu mang tính đột phá này được công bố trên Tạp chí Vật liệu Tiên tiến “Advanced Materials”.

Để so sánh, hydro "xanh", được sản xuất bằng phương pháp điện phân, sử dụng nguồn năng lượng tái tạo tách nước thành hydro và ô xy, có giá khoảng 5 USD cho chỉ hơn 2 pound (0,9 kg). Mặc dù rẻ hơn nhưng phần lớn trong số gần 100 triệu tấn hydro được sử dụng trên toàn cầu vào năm 2022 đều được chiết xuất từ nhiên liệu hóa thạch , quá trình sản xuấttạo ra khoảng 12 tấn carbon dioxide mỗi tấn hydro.

James Tour, GS Hóa học quỹ TT và WF Chao của Đại học Rice, GS khoa học vật liệu và kỹ thuật nano cho biết: “Nhu cầu về hydro sẽ tăng vọt trong vài thập kỷ tới, chúng ta không thể tiếp tục sản xuất theo phương thức đã làm cho đến nay nếu nghiêm túc hướng tới đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.”

Các nhà nghiên cứu đã cho các mẫu chất thải nhựa tiếp xúc với phương pháp gia nhiệt Joule nhanh trong khoảng 4 giây, đẩy nhiệt độ của vật liệu nhựa lên tới 3.100 độ Kelvin (2826oC). Quá trình gia nhiệt Joule làm bay hơi hydro có trong nhựa, còn lại graphene, loại vật liệu cực kỳ nhẹ, bền được hình thành từ một lớp nguyên tử carbon.

Wyss cho biết: “Khi chúng tôi lần đầu tiên phát hiện ra phương pháp gia nhiệt Joule chớp nhoáng và áp dụng kỹ thuật này để tái chế nhựa thải thành graphene, chúng tôi đã quan sát thấy rất nhiều khí dễ bay hơi được tạo ra và bay ra khỏi lò phản ứng. Chúng tôi tự hỏi dó là gì, cho rằng đó là hỗn hợp các hydrocacbon nhỏ và hydro, nhưng lại thiếu thiết bị để nghiên cứu thành phần chính xác của sản phẩm khí”.

Sử dụng nguồn tài trợ từ Công binh Quân đội Mỹ, phòng thí nghiệm Tour đã có được thiết bị cần thiết để xác định tính chất và đặc điểm của chất khí bay hơi.

Wyss cho biết: “Chúng tôi biết rằng, polyetylen được tạo thành từ 86% carbon và 14% hydro, chúng tôi đã chứng minh có thể thu hồi tới 68% lượng hydro nguyên tử dưới dạng khí với độ tinh khiết đạt 94%. Phát triển các phương pháp và kiến ​​thức chuyên môn để mô tả và định lượng tất cả các loại khí, bao gồm cả hydro, được tạo ra từ phương pháp này là một quá trình khó khăn nhưng có ý nghĩa quan trọng đối với tôi.”

"Tôi rất vui mững vì các kỹ thuật tôi đã học và sử dụng trong nghiên cứu này, đặc biệt là đánh giá vòng đời (sản xuất và sử dụng) và sắc ký khí (phân tích thành phần hợp chất trong trạng thái bay hơi) có thể được áp dụng cho những dự án khác trong nhóm nghiên cứu. Tôi hy vọng kết quả nghiên cứu này cho phép sản xuất hydro sạch từ nhựa phế thải ở cấp độ công nghiệp, giải quyết các vấn đề môi trường lớn như ô nhiễm nhựa và sản xuất hydro bằng phương pháp chuyển đổi khí mê-tan, tạo ra rất nhiều khí nhà kính."