نفايات مصانع الورق تتحول إلى محفز للهيدروجين الأخضر

تحويل نفايات مصانع الورق إلى محفزات للهيدروجين

المفتاح لجعل إنتاج الهيدروجين الأخضر يصبح ركيزة أساسية في اقتصادنا هو جعله رخيصًا بما يكفي للتنافس مع الوقود الأحفوري أو غيره من الوقود السائل الصناعي.

كما يجب أن تكون العملية مستدامة قدر الإمكان، لأن استبدال تلوث الوقود الأحفوري بنوع آخر من التلوث سيكون عكس ما هو مطلوب.

نقص الاستثمار والبنية التحتية كان أيضًا مشكلة، وهو ما ينبغي لمشروعات ضخمة مثل العمود الفقري الأوروبي للهيدروجين (EHB) حلّه.

مع ذلك، المشكلة الرئيسية في إنتاج الهيدروجين هي المحفزات. لفترة طويلة، اعتمد التحليل الكهربائي للهيدروجين على محفزات مكلفة تستخدم البلوتينيوم أو البالاديوم. وبما أن هذه المعادن نادرة جدًا ومكلفة (كما شرحنا في “الاستثمار في البلوتينيوم – المحفز الشامل”)، فإن محلات التحليل الكهربائي للهيدروجين أيضًا غالية الثمن.

لحسن الحظ، تظهر سلسلة من البدائل، مثل قضبان نانوية من النيكل، كرات مجوفة نانوية من الحديد، كربيد السيليكون للتحفيز الضوئي، أو أكسيد الكوبالت والتنغستن.

اقتُرح خيار جديد قد يكون أكثر استدامة من قبل باحثين في جامعة شنيانغ الزراعية وجامعة قوانغدونغ للتكنولوجيا (الصين)، باستخدام نفايات إنتاج الورق كمحفز.

نشروا نتائجهم في Biochar، تحت عنوان “Lignin-derived carbon fibers loaded with NiO/Fe3O4 to promote oxygen evolution reaction”.

تطور الأكسجين لإنتاج الهيدروجين

الماء، المكوّن من ذرات الأكسجين والهيدروجين (H₂O)، يحتاج إلى تحويل ذرات الأكسجين إلى أكسجين جوي لإنتاج هيدروجين قابل للاستخدام (H₂).

عادةً ما تكون هذه الخطوة واحدة من أصعب الخطوات الهندسية لتتم بكفاءة دون إهدار الطاقة الكهربائية. كما أنها تتطلب محفزات مكلفة.

بدلاً من استخدام هذه المحفزات، استخدم الباحثون اللجنين، وهو مكوّن من الخشب ومنتج فرعي متبقي من تكرير لب الخشب إلى ورق. تستخرج العملية السليلوز، تاركةً اللجنين غير المرغوب فيه.

إنتاج اللجنين السنوي يتجاوز 70 مليون طن. حاليًا، يُحرق غالبًا للحصول على الطاقة، رغم أنه ينتج قليلًا من الطاقة، فقط للتخلص منه.

“تطور الأكسجين هو أحد أكبر العوائق أمام إنتاج الهيدروجين الفعال.

تظهر أعمالنا أن محفزًا مصنوعًا من اللجنين، وهو منتج فرعي منخفض القيمة من صناعات الورق ومصافي الكتلة الحيوية، يمكنه تقديم نشاط عالي ومتانة استثنائية. وهذا يوفر مسارًا أكثر خضرة واقتصادية لتوليد الهيدروجين على نطاق واسع.”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

تحويل اللجنين إلى محفز للهيدروجين

الألياف الكربونية كمحفزات

عمومًا، تُعتبر هياكل الكربون مثالية كمحفزات بسبب مساحتها السطحية العالية، قابلية تعديل المسامية، خمولها الكيميائي، وتوصيلها الكهربائي الممتاز.

لكن مواد أخرى مثل ألياف بولي أكريلونيتريل أو الألياف الكربونية التي تُزرع بتقنية CVD ذات فائدة محدودة بسبب التكاليف العالية، التصنيع المكلف، أو الخصائص الكيميائية غير الكافية.

أخذ الباحثون اللجنين غير المرغوب فيه وأدركوا أن تركيبه الغني بالعناصر العطرية وبنيته الدقيقة المعقدة تجعله سلفًا كربونيًا واعدًا لتصنيع مواد كربونية مسامية عالية الأداء.

يمكن للتركيب الميكروي غير المنتظم للجنين أن يثبت جسيمات نانوية فائقة الصغر من المعادن/أكسيدات المعادن. بالإضافة إلى ذلك، توفر شبكته الليفية المتشابكة طرقًا إلكترونية مباشرة وقنوات مسامية كبيرة لتدفق التيار الكهربائي. أخيرًا، يُقدّر البصمة الكربونية لدورة حياة اللجنين بأقل من 0.5 كغ مكافئ CO₂ لكل كغ، أي أكثر من 10 أضعاف أقل من المواد الكربونية الأخرى المقترحة حتى الآن.

إنتاج محفزات اللجنين

تم إذابة اللجنين، بولي أكريلونيتريل (PAN)، وسوابق المعادن (Ni²⁺, Fe³⁺) معًا في N,N-ديميثيل فورماميد (DMF) ومعالجتها عبر تقنية السحب الكهربائي لتشكيل ألياف سابقة موحدة.

تمت عملية الكربنة لاحقًا لتشكيل الألياف الكربونية المشتقة من اللجنين مع محفزات معدنية مدمجة بشكل موحد داخل الأليفة.

تم تحليل المادة الناتجة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ، كاشفًا عن جسيمات NiO/Fe₃O₄ المثبتة على الألياف الكربونية المشتقة من اللجنين.

تمت ملاحظة وصلة نانوية بين NiO و Fe₃O₄، ومن المتوقع أن تسهل نقل الإلكترونات وتعزز نشاط تفاعل تطور الأكسجين.

يكشف التحليل الإضافي باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الفوتونات السينية (XPS)، ومطيافية رمان عن التركيب البنيوي للمحفز، محددًا أفضل الظروف لتكوين وصلة NiO و Fe₃O₄.

قياس أداء التحفيز

اسحب للتمرير →

تم قياس نشاط تفاعل تطور الأكسجين ثم مقارنته بمواد NiO و Fe₃O₄ عندما تكون منفصلة.

أظهر أن التفاعلات الكيميائية لإنتاج الهيدروجين تكون أقوى عندما يتواجد كلا المحفزين المعدنيين. كما أظهر استقرارًا طويل الأمد للمحفز، حيث تجاوزت عملية التشغيل المستمر أكثر من 50 ساعة دون حدوث ضرر كبير للمحفز.

ثم تعمق العلماء أكثر، محاولين فهم التفاعلات الدقيقة التي تحدث، مثبتين أن التفاعل يتبع عملية تُعرف باسم “آلية الامتصاص‑التطور (AEM)”، مع امتصاص متتابع للإلكترونات وأشكال مؤقتة مشحونة من الأكسجين، ذرات وجزيئات منفردة.

التطبيقات

استخدام اللجنين الرخيص جدًا، والحديد، والنيكل الرخيص إلى حد ما، لإنشاء محفز هيدروجين عالي الكفاءة، منخفض التكلفة، ومتين على المدى الطويل يفتح الطريق إلى أمرين في آن واحد:

• تحويل قيمة اللجنين، وهو منتج فرعي كربوني يُحرق حاليًا، إلى محفز طاقة خضراء بدلاً من ذلك.
• إمكانية الإنتاج الضخم لمحفز هيدروجين باستخدام طريقة يمكن توسيعها بسرعة.

نظرًا لأن جميع الأساليب والمواد المستخدمة في هذه الدراسة سهلة التوسيع، قد يكون هذا أول مادة محفز بديلة لإنتاج الهيدروجين لا تستخدم فقط معادن نادرة من مجموعة البلاتين، بل يمكن نشرها فورًا على نطاق واسع للإنتاج الضخم.

ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتقييم استقرار اللجنين المعدل على المدى الطويل جدًا (> سنة واحدة من الاستخدام المستمر أو غير المنتظم) في ظروف الحياة الواقعية، مع تغيرات في الرطوبة، الحرارة، الضوء فوق البنفسجي، وغيرها، لتقييم صلاحيته كمحفز هيدروجين على نطاق صناعي.

الاستثمار في إنتاج الهيدروجين

Plug Power Inc.

Plug Power هي رائدة في مجال الهيدروجين الأخضر، مع تركيز على خلايا الوقود. تقارير الشركة تفيد بوجود أكثر من 72,000 خلية وقود مثبتة في أكثر من 300 موقع، مع وجود كبير في أساطيل مناولة المواد. على وجه الخصوص، تُشغّل خلايا الوقود لديها أكثر من 40,000 رافعة شوكية، وقد ارتفعت إيراداتها بمقدار 8 أضعاف منذ عام 2013.

كما أنها نشطة في بناء بنية تحتية للهيدروجين، مثل إنتاج الهيدروجين، اللوجستيات، توليد الطاقة على نطاق المرافق، والتسليمات.

تهدف الشركة إلى التوسع لتقليل تكاليف إنتاج الهيدروجين من 10 دولارات/كغ إلى 4 دولارات/كغ، مع مضاعفة الإنتاج بمقدار 14 مرة بحلول عام 2027. كما ينبغي أن تستبدل جميع الهيدروجين المستورد من الخارج، الذي كان غالبًا يُعاد بيعه للعملاء بخسارة.

نظرًا للاستثمارات الضخمة لزيادة القدرة الإنتاجية 19 مرة منذ عام 2020، لا تزال الشركة غير مربحة بعد، لكن التقدم في الحصول على هيدروجينها الخاص قد يغيّر ذلك.

تعتبر الشركة حلولها إما وقودًا مباشرًا للتنقل أو مكملًا للمركبات الكهربائية، حيث يتيح الهيدروجين تقليل الضغط على الشبكة خلال أوقات شحن المركبات الكهربائية القصوى، والتي لا تتطابق مع فترات إنتاج الطاقة المتجددة خلال النهار.

كمنتج رئيسي لخلايا الوقود، ستستفيد Plug Power بشكل كبير من التحول نحو اقتصاد قائم على الهيدروجين. يمكن دمج محفز خلية وقود أرخص في تصاميمها، وتعزيز معدل تبني مركبات الهيدروجين وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة.

لذلك يجعل ذلك من Plug Power سهمًا جيدًا للمراهنة على التحول نحو الهيدروجين بشكل عام، مع نمو الطلب على خلايا الوقود كلما تم اختراع طريقة أرخص لإنتاج أو تخزين أو نقل أو استخدام الهيدروجين.

(يمكنك قراءة المزيد عن Plug Power في تقريرنا الاستثماري المخصص للشركة.)

آخر أخبار وتطورات سهم Plug Power (PLUG)

الدراسة المشار إليها

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. ألياف كربونية مشتقة من اللجنين محملة بـ NiO/Fe3O4 لتعزيز تفاعل تطور الأكسجين. BiocharX. 1، رقم المقال: e011. 27 نوفمبر 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}