مخلفات مصانع الورق تصبح عاملًا مساعدًا لإنتاج الهيدروجين الأخضر

تحويل نفايات مصانع الورق إلى محفزات الهيدروجين

يكمن مفتاح تحول إنتاج الهيدروجين الأخضر إلى حجر الزاوية في اقتصادنا في جعله رخيصًا بما يكفي للتنافس مع الوقود الأحفوري أو أنواع الوقود السائل الاصطناعي الأخرى.

كما يجب أن تكون العملية مستدامة قدر الإمكان، لأن استبدال تلوث الوقود الأحفوري بنوع آخر من التلوث سيكون له نتائج عكسية.

كما شكّل نقص الاستثمار والبنية التحتية مشكلة، وهو أمرٌ لا تستطيع المشاريع الضخمة مثل... ينبغي أن يحل مشروع العمود الفقري للهيدروجين الأوروبي (EHB) مشكلة.

مع ذلك، تكمن المشكلة الرئيسية في إنتاج الهيدروجين في المحفزات. لفترة طويلة، اعتمد التحليل الكهربائي للهيدروجين على محفزات باهظة الثمن مصنوعة من البلاتين أو البلاديوم. ونظرًا لندرة هذه المعادن وارتفاع أسعارها (كما أوضحنا في "الاستثمار في البلاتين – المحفز العالميكما أن أجهزة التحليل الكهربائي للهيدروجين باهظة الثمن للغاية.

لحسن الحظ، بدأت تظهر سلسلة من البدائل، على سبيل المثال، قضبان نانوية من النيكل, كرات حديدية نانوية مجوفة, كربيد السيليكون للتحفيز الضوئي أو أكسيد الكوبالت والتنغستن.

وقد اقترح باحثون في جامعة شنيانغ الزراعية وجامعة قوانغدونغ للتكنولوجيا (الصين) خيارًا جديدًا قد يكون أكثر استدامة، باستخدام مخلفات إنتاج الورق كمحفز.

نشروا النتائج التي توصلوا إليها في الفحم النباتي، تحت عنوان "ألياف الكربون المشتقة من اللجنين والمحملة بـ NiO/Fe3O4 لتعزيز تفاعل إطلاق الأكسجين".

تطور الأكسجين لإنتاج الهيدروجين

يتكون الماء من ذرات الأكسجين والهيدروجين (H₂يحتاج الأكسجين (O) إلى تحويل ذرات الأكسجين إلى أكسجين جوي لإنتاج الهيدروجين القابل للاستخدام (H).₂).

تُعدّ هذه الخطوة عادةً من أصعب الخطوات التي يجب هندستها لضمان تنفيذها بكفاءة ودون هدر للطاقة الكهربائية. كما أنها تتطلب استخدام محفزات باهظة الثمن.

بدلاً من استخدام هذه المحفزات، استخدم الباحثون مادة اللجنين، وهي أحد مكونات الخشب ومنتج ثانوي متبقٍ من عملية تكرير لب الخشب إلى ورق. تستخلص هذه العملية السليلوز، تاركةً وراءها مادة اللجنين غير المرغوب فيها.

يتجاوز الإنتاج السنوي من اللجنين 70 مليون طن. وفي الوقت الحالي، غالباً ما يتم حرقه ببساطة للحصول على الطاقة، على الرغم من أنه لا ينتج سوى القليل من الطاقة، وذلك لمجرد التخلص منه.

"يُعدّ تطور الأكسجين أحد أكبر العوائق أمام إنتاج الهيدروجين بكفاءة."

تُظهر دراستنا أن المحفز المصنوع من اللجنين، وهو منتج ثانوي منخفض القيمة من صناعات الورق والمصافي الحيوية، يمكن أن يوفر نشاطًا عاليًا ومتانة استثنائية. وهذا يوفر مسارًا أكثر استدامة واقتصادية لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع.

- يانلين تشين، جامعة قوانغدونغ للتكنولوجيا

تحويل اللجنين إلى محفز للهيدروجين

ألياف الكربون كمحفزات

بشكل عام، تعتبر هياكل الكربون مثالية كمحفزات نظرًا لمساحة سطحها العالية، ومساميتها القابلة للتعديل، وخمولها الكيميائي، وموصلية الكهرباء الممتازة.

لكن مواد أخرى مثل ألياف البولي أكريلونيتريل أو ألياف الكربون المزروعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار محدودة الاستخدام بسبب ارتفاع التكاليف أو تكلفة التصنيع الباهظة أو الخصائص الكيميائية غير الكافية.

أخذ الباحثون مادة اللجنين غير المرغوب فيها وأدركوا أن بنيتها الغنية بالمواد العطرية وبنيتها المجهرية المعقدة تجعلها مادة أولية واعدة للكربون لتصنيع مواد الكربون المسامية عالية الأداء.

تُتيح البنية المجهرية غير المنتظمة للّجنين تثبيت جزيئات نانوية فائقة الدقة من المعادن/أكاسيد المعادن. إضافةً إلى ذلك، توفر شبكة أليافه المترابطة مسارات إلكترونية مستقيمة وقنوات مسامية كبيرة مفتوحة لتدفق التيار الكهربائي. وأخيرًا، يُقدّر أن بصمة الكربون الناتجة عن دورة حياة اللجنين أقل من 0.5 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون.₂ مكافئ كجم^-1، أي أقل بأكثر من 10 مرات من المواد الكربونية الأخرى المقترحة حتى الآن.

إنتاج محفزات اللجنين

اللجنين، والبولي أكريلونيتريل (PAN)، وسلائف المعادن (النيكل)²⁺، في³⁺تم إذابة ( ) بشكل مشترك في N,N-ثنائي ميثيل فورماميد (DMF) ومعالجتها عن طريق الغزل الكهربائي لتشكيل ألياف أولية موحدة.

ثم تم تحويلها إلى مادة كربونية لتشكيل ألياف الكربون النهائية المشتقة من اللجنين مع محفزات معدنية مدمجة بشكل موحد في الألياف.

تم تحليل المادة الناتجة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ، مما كشف عن وجود NiO/Fe₃O₄ جسيمات نانوية مثبتة على ألياف الكربون المشتقة من اللجنين.

وصلة نانوية بين أكسيد النيكل والحديد₃O₄ كما لوحظ ذلك، ومن المتوقع أن يسهل نقل الإلكترون ويعزز نشاط تفاعل تطور الأكسجين.

كشفت تحليلات إضافية باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) ومطيافية الإلكترونات الضوئية للأشعة السينية (XPS) ومطيافية رامان عن التركيب البنيوي للمحفز، مما أدى إلى تحديد أفضل الظروف لتكوين أكسيد النيكل (NiO) والحديد (Fe).₃O₄ تقاطع طرق.

قياس أداء التحفيز

مرر للتمرير →

ثم تم قياس نشاط تفاعل إطلاق الأكسجين ومقارنته بـ NiO و Fe₃O₄ المادة عند فصلها.

أظهرت الدراسة أن التفاعلات الكيميائية لإنتاج الهيدروجين تكون في أقوى حالاتها عند وجود كلا المحفزين المعدنيين. كما أظهرت استقرار المحفز على المدى الطويل، حيث لم يُلاحظ أي تلف يُذكر فيه بعد أكثر من 50 ساعة من التشغيل المتواصل.

ثم تعمق العلماء أكثر في محاولة لفهم التفاعلات التي تحدث بالضبط، مما أثبت أن التفاعل يتبع عملية تُعرف باسم "مسار آلية الامتزاز والتطور (AEM)"، مع امتصاص متتابع للإلكترونات والأشكال المشحونة المؤقتة للأكسجين والذرات الفردية والجزيئات.

الاستخدامات

إن استخدام اللجنين والحديد الرخيصين للغاية، والنيكل الرخيص إلى حد ما، لإنتاج محفز هيدروجيني عالي الكفاءة ومنخفض التكلفة وطويل الأمد، يفتح الطريق أمام أمرين في آن واحد:

• تثمين اللجنين، وهو منتج ثانوي للكربون يتم حرقه حاليًا، وتحويله إلى محفز للطاقة الخضراء بدلاً من ذلك.
• إمكانية الإنتاج الضخم لمحفز الهيدروجين بطريقة يمكن توسيع نطاقها بسرعة.

بما أن جميع الطرق والمواد المستخدمة في هذه الدراسة سهلة التوسع، فقد تكون هذه أول مادة محفزة بديلة لإنتاج الهيدروجين لا تستخدم المعادن النادرة لمجموعة البلاتين فحسب، بل يمكن أيضًا نشرها على الفور على نطاق واسع للإنتاج الضخم.

ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتقييم الاستقرار طويل المدى للغاية للّجنين المعدل (> سنة واحدة من الاستخدام المستمر أو غير المنتظم) في ظروف الحياة الواقعية، مع ضرورة تقييم التغيرات في الرطوبة ودرجة الحرارة والأشعة فوق البنفسجية وما إلى ذلك، من أجل جدواه كمحفز للهيدروجين على نطاق صناعي.

الاستثمار في إنتاج الهيدروجين

شركة Plug Power Inc.

تُعدّ شركة Plug Power رائدةً في مجال الهيدروجين الأخضر، مع تركيزها على خلايا الوقود. وتُشير الشركة إلى تركيب أكثر من 72,000 خلية وقود في أكثر من 300 موقع، ولها حضورٌ قويّ في أساطيل مناولة المواد. وعلى وجه الخصوص، تُشغّل خلايا الوقود الخاصة بها أكثر من 40,000 رافعة شوكية، مع زيادة في الإيرادات بمقدار 8 أضعاف منذ عام 2013.

كما أنها نشطة في بناء البنية التحتية للهيدروجين، مثل إنتاج الهيدروجين، والخدمات اللوجستية، وتوليد الطاقة على نطاق المرافق، والتسليم.

تهدف الشركة إلى خفض تكاليف إنتاج الهيدروجين من 10 دولارات للكيلوغرام إلى 4 دولارات للكيلوغرام، مع مضاعفة الإنتاج بمقدار 14 ضعفًا بحلول عام 2027. ومن المتوقع أيضًا أن يحل محل جميع الهيدروجين المستورد من مصادر خارجية، والذي كان يُعاد بيعه للعملاء بخسارة في كثير من الأحيان.

بسبب الاستثمارات الضخمة لزيادة الطاقة الإنتاجية بمقدار 19 ضعفًا منذ عام 2020، فإن الشركة ليست مربحة حتى الآن، ولكن التقدم المحرز في الحصول على الهيدروجين الخاص بها من شأنه أن يغير ذلك.

وترى الشركة أن حلولها إما بمثابة وقود تنقل مباشر أو مكمل للسيارات الكهربائية، حيث يسمح الهيدروجين بتقليل الضغط على الشبكة خلال أوقات الشحن القصوى للسيارات الكهربائية، والتي لا تتوافق مع فترات إنتاج الطاقة المتجددة خلال النهار.

بصفتها مُصنِّعًا رئيسيًا لخلايا الوقود، ستستفيد شركة Plug Power استفادةً كبيرةً من التحوّل نحو اقتصاد قائم على الهيدروجين. ويمكن دمج مُحفِّز خلايا وقود أقل تكلفةً في تصميماتها، مما سيعزز اعتماد مركبات الهيدروجين وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة.

لذا فإن هذا يجعل شركة Plug Power سهمًا جيدًا للرهان على التحول نحو الهيدروجين بشكل عام، مع نمو الطلب على خلايا الوقود الخاصة بها في كل مرة يتم فيها اختراع طريقة أرخص لإنتاج الهيدروجين أو تخزينه أو نقله أو استخدامه.

(تستطيع اقرأ المزيد عن شركة Plug Power في تقريرنا الاستثماري المخصص لها..)

أحدث أخبار وتطورات سهم Plug Power (PLUG)

الدراسة المرجعية

^{1. شويزهي تسنغ، يوتاو بان، يي تشي، يانلين تشين، وشوي تشينغ تشيو. ألياف الكربون المشتقة من اللجنين والمحملة بـ NiO/Fe3O4 لتعزيز تفاعل إطلاق الأكسجين. BiocharX. 1، رقم المقال: e011. 27 نوفمبر 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}