연구자들은 폐플라스틱에서 수소와 그래핀을 추출하기 위해 저배출 방법을 사용했습니다. 이는 플라스틱 오염, 온실가스 생산 등 환경 문제를 해결할 뿐만 아니라, 그래핀 부산물의 가치가 수소 생산 비용을 상쇄할 수 있다고 그들은 말한다. 수소는 자동차에 전력을 공급하고, 전기를 생산하고, 가정과 기업에 난방을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 수소는 화석연료보다 단위 중량당 더 많은 에너지를 함유하고 있는데, 이는 지구 온실가스 배출의 주요 원인이 화석연료 연소로 배출되는 이산화탄소이기 때문에 환경적 관점에서 중요합니다.
현재 판매되는 수소의 95% 이상이 증기메탄 개질을 통해 합성되며, 수소 1톤당 11톤(12톤)의 이산화탄소가 생성되며, 그 중 대부분이 회색수소이다. 이에 비해 태양광, 풍력, 물 등 재생 가능 에너지원을 사용해 물을 성분으로 분리해 생산한 '그린 수소'는 수소 2파운드(약 1kg)당 약 5달러의 비용이 들 정도로 비싸다.
라이스 대학 연구진은 이제 비용을 지불할 가능성이 있는 저배출, 무촉매 방법을 사용하여 폐플라스틱에서 귀중한 수소와 그래핀을 수확하는 방법을 개발했습니다.
이번 연구의 제1저자인 케빈 위스(Kevin Wyss)는 “이번 연구에서는 종류별로 분류하거나 세척할 필요가 없는 혼합 폐플라스틱을 포함한 폐플라스틱을 고수율 수소와 고부가가치 그래핀으로 전환한다”고 말했다. "생산된 그래핀을 현재 시장 가치의 5%(95% 할인)에 판매한다면 깨끗한 수소를 무료로 생산할 수 있습니다."
증기-메탄 개질 공정에서는 고온 증기(1292°F ~ 1832°F/700°C ~ 1000°C)를 사용하여 천연 가스와 같은 메탄 공급원에서 수소를 생산합니다. 메탄은 촉매 작용으로 증기와 반응하여 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 생성합니다.
해당 연구의 교신저자 중 한 명인 James Tour는 "현재 사용되는 주요 수소 형태는 다량의 이산화탄소를 생산하는 방법인 증기-메탄 개질을 통해 생산되는 '회색' 수소입니다. 수소에 대한 수요는 향후 수십 년 동안 급증할 가능성이 높기 때문에 정말로 2050년까지 순 제로 배출을 달성하려면 지금까지의 방법으로는 더 이상 수소를 만들 수 없습니다."라고 말했습니다.
폐플라스틱은 오랜 기간 동안 환경에 남아 야생 동물을 위협하고 동물과 인간에게 독소를 퍼뜨립니다. 이번 연구에서 연구진은 폐플라스틱을 약 4초 동안 급속 플래시 줄 가열에 노출시켰다. 온도가 3,100켈빈까지 올라가면 플라스틱의 수소가 증발하고 단일 탄소 원자 층으로 구성된 가볍고 내구성이 뛰어난 소재인 그래핀만 남습니다. 그래핀은 응용 분야 중 일부를 예로 들면 전자, 에너지 저장, 센서, 코팅, 복합 재료 및 생체 의학 장치와 같은 분야에서 사용될 수 있습니다.
Wyss는 "플래시 줄 가열을 처음 발견하고 이를 폐플라스틱을 그래핀으로 업사이클하는 데 적용했을 때 다량의 휘발성 가스가 생성되어 반응기에서 배출되는 것을 관찰했습니다"라고 말했습니다. "우리는 작은 탄화수소와 수소의 혼합물을 의심하여 그것이 무엇인지 알고 싶었지만 정확한 구성을 연구할 수 있는 장비가 부족했습니다."
미 육군 공병대의 자금 지원을 받아 연구원들은 가스화 내용을 분석하는 데 필요한 장비를 얻었고 나중에 그들의 의심이 옳았다는 사실을 발견했습니다. 그 과정에서 수소가 생성되었습니다.
"예를 들어, 우리는 폴리에틸렌이 86%의 탄소와 14%의 수소로 구성되어 있다는 것을 알고 있으며, 그 안에 있는 원자 수소의 최대 68%를 순도 94%의 가스로 회수할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 저에게 수소를 포함하여 이 방법으로 생성된 모든 가스를 특성화하고 정량화하는 방법과 전문 지식을 개발하는 것은 어렵지만 보람 있는 과정이었습니다."라고 Wyss는 말했습니다.
연구원들은 수명주기 평가를 기반으로 그들의 방법이 다른 수소 생산 방법보다 배출량이 적다고 말합니다. 수명주기 평가는 생산 방법과 관련된 전반적인 환경 영향 및 자원 요구 사항을 분석하는 데 사용되는 기술입니다.
폐플라스틱이나 바이오매스 분해를 통한 다른 수소 생산 방법과 비교할 때, 플래시 수소 생산 공정은 누적 에너지 요구량(33~95% 에너지 절감)과 온실가스 배출량(65~89% 배출 감소) 모두를 개선합니다. 연구원들은 플래시 줄 가열 공정의 이점은 폐플라스틱을 세척하거나 분리할 필요가 없어 스크랩 물질을 사용하여 부정적인 비용으로 깨끗한 수소를 생산할 수 있다는 점이라고 말합니다. 그들은 확장성을 개선하고 수소 생산을 최적화하기 위해 플래시 줄 가열 메커니즘을 더 깊이 이해할 계획입니다.