Des chercheurs ont mis au point une méthode permettant de récolter de l’hydrogène et du graphène à partir de déchets plastiques.

Des chercheurs ont utilisé une méthode à faibles émissions pour récolter de l’hydrogène et du graphène à partir de déchets plastiques. Selon eux, cette méthode permet non seulement de résoudre des problèmes environnementaux tels que la pollution plastique et la production de gaz à effet de serre, mais la valeur du graphène en tant que sous-produit pourrait compenser les coûts de production de l’hydrogène.

L’hydrogène est utilisé pour alimenter les véhicules, produire de l’électricité et chauffer nos maisons et nos entreprises. L’hydrogène contient plus d’énergie par unité de poids que les combustibles fossiles, ce qui est important d’un point de vue environnemental car la principale cause des émissions mondiales de gaz à effet de serre est le rejet de dioxyde de carbone provenant de la combustion des combustibles fossiles.

Plus de 95 % de l’hydrogène est synthétisé par reformage du méthane à la vapeur, ce qui produit 12 tonnes de dioxyde de carbone pour chaque tonne d’hydrogène, dont la grande majorité est de l’hydrogène gris. En comparaison, l' »hydrogène vert » produit à l’aide de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire, l’énergie éolienne ou l’énergie hydraulique pour séparer l’eau en ses éléments constitutifs, est cher, coûtant environ 5 USD pour environ un kilogramme.

Des chercheurs de l’université Rice ont maintenant mis au point un moyen de récolter de l’hydrogène et du graphène précieux à partir de déchets plastiques en utilisant une méthode à faibles émissions et sans catalyseur, qui pourrait s’avérer rentable.

« Dans ce travail, nous avons converti des déchets plastiques – y compris des déchets plastiques mixtes qui n’ont pas besoin d’être triés par type ou lavés – en hydrogène gazeux à haut rendement et en graphène de grande valeur », a déclaré Kevin Wyss, auteur principal de l’étude. « Si le graphène produit est vendu à seulement 5 % de sa valeur marchande actuelle – une vente à 95 % ! – de l’hydrogène propre pourrait être produit gratuitement. »

Dans le reformage du méthane à la vapeur, de la vapeur à haute température (de 700 °C à 1 000 °C) est utilisée pour produire de l’hydrogène à partir d’une source de méthane telle que le gaz naturel. Le méthane réagit avec la vapeur en présence d’un catalyseur pour produire de l’hydrogène, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone.

« La principale forme d’hydrogène utilisée aujourd’hui est l’hydrogène « gris », produit par reformage du méthane à la vapeur, une méthode qui génère beaucoup de dioxyde de carbone », a déclaré James Tour, l’un des auteurs correspondants de l’étude. « La demande d’hydrogène va probablement monter en flèche au cours des prochaines décennies, et nous ne pouvons donc pas continuer à le produire de la même manière que jusqu’à présent si nous voulons vraiment parvenir à des émissions nettes nulles d’ici à 2050 ».

Les déchets plastiques restent longtemps dans l’environnement, menaçant la faune et répandant des toxines sur les animaux et les humains. Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont exposé les déchets plastiques à un réchauffement rapide par effet Joule pendant environ quatre secondes.

L’élévation de la température jusqu’à 3 100 kelvins vaporise l’hydrogène présent dans le plastique et laisse place au graphène, un matériau léger et durable composé d’une seule couche d’atomes de carbone. Le graphène est utilisé dans l’électronique, le stockage de l’énergie, les capteurs, les revêtements, les composites et les dispositifs biomédicaux, pour ne citer que quelques-unes de ses applications.

Image au microscope électronique à transmission (MET) de feuilles de graphène flash à l’échelle nanométrique formées à partir de déchets plastiques.

« Lorsque nous avons découvert le chauffage flash par effet Joule et que nous l’avons appliqué pour transformer des déchets plastiques en graphène, nous avons observé que de nombreux gaz volatils étaient produits et sortaient du réacteur », explique Kevin Wyss. « Nous nous sommes demandé de quoi il s’agissait, soupçonnant un mélange de petits hydrocarbures et d’hydrogène, mais nous ne disposions pas des instruments nécessaires pour étudier leur composition exacte ».

Après avoir acquis l’équipement nécessaire pour analyser le contenu vaporisé grâce à un financement du Corps des ingénieurs de l’armée américaine, les chercheurs ont constaté que leurs soupçons étaient fondés : le processus produisait de l’hydrogène gazeux.

« Nous savons que le polyéthylène, par exemple, est composé de 86 % de carbone et de 14 % d’hydrogène, et nous avons démontré que nous pouvions récupérer jusqu’à 68 % de cet hydrogène atomique sous forme de gaz d’une pureté de 94 % », a déclaré Kevin Wyss. « Développer les méthodes et l’expertise nécessaires pour caractériser et quantifier tous les gaz, y compris l’hydrogène, produits par cette méthode a été pour moi un processus difficile mais gratifiant ».

Les chercheurs affirment que, d’après l’analyse du cycle de vie, leur méthode produit moins d’émissions que d’autres méthodes de production d’hydrogène. L’analyse du cycle de vie est une technique utilisée pour analyser les impacts environnementaux globaux et les besoins en ressources associés aux méthodes de production.

« Le procédé flash H2 permet d’améliorer à la fois la demande énergétique cumulée (33 à 95 % d’énergie en moins) et les émissions de gaz à effet de serre (65 à 89 % d’émissions en moins) par rapport à d’autres méthodes de déconstruction des déchets plastiques ou de la biomasse pour la production d’H2 », ont déclaré les chercheurs.

Selon les chercheurs, l’un des avantages de leur procédé de chauffage flash par effet Joule est que les déchets plastiques n’ont pas besoin d’être lavés ou séparés et qu’ils peuvent être utilisés pour produire de l’hydrogène propre à coût négatif à partir de déchets.

Ils prévoient d’approfondir leur compréhension du mécanisme de chauffage flash par effet Joule afin d’en améliorer l’extensibilité et d’optimiser la production d’hydrogène.

« J’espère que ces travaux permettront de produire de l’hydrogène propre à partir de déchets plastiques, ce qui pourrait résoudre des problèmes environnementaux majeurs tels que la pollution plastique et la production d’hydrogène à forte intensité de gaz à effet de serre par reformage du méthane à la vapeur », précise Kevin Wyss.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306763

https://news.rice.edu/news/2023/making-hydrogen-waste-plastic-could-pay-itself