Papirfabriksaffald bliver en katalysator for grøn brint

Omformning af papirfabriksaffald til brintkatalysatorer

Nøglen til, at grøn brintproduktion kan blive en hjørnesten i vores økonomi, er at gøre den billig nok til at konkurrere med fossile brændstoffer eller andre kunstige flydende brændstoffer.

Processen skal også være så bæredygtig som muligt, da udskiftning af forurening fra fossile brændstoffer med en anden form for forurening ville være kontraproduktivt.

Manglen på investeringer og infrastruktur har også været et problem, noget som megaprojekter som European Hydrogen Backbone (EHB) bør løse.

Alligevel er hovedproblemet ved brintproduktion dens katalysatorer. I lang tid har vandelektrolyse af brint været afhængig af dyre katalysatorer, der bruger platin eller palladium. Da disse metaller er meget sjældne og dyre (som vi forklarede i “Investering i platin – den universelle katalysator”), er brint‑elektrolyseanlæggene også meget dyre.

Der er heldigvis en række alternativer, der dukker op, for eksempel nikkel‑nanorods, jern‑nanospopiske hule kugler, siliciumcarbid til fotokatalyse, eller kobolt‑tungstenoxid.

En ny mulighed, der måske er endnu mere bæredygtig, er blevet foreslået af forskere ved Shenyang Agricultural University og Guangdong University of Technology (Kina), som bruger affaldsprodukter fra papirproduktion som katalysator.

De offentliggjorde deres resultater i Biochar, under titlen “Lignin-derived carbon fibers loaded with NiO/Fe3O4 to promote oxygen evolution reaction”.

Iltudvikling for brintproduktion

Vand, som består af oxygen‑ og hydrogenatomer (H₂O), skal have sine oxygenatomer omdannet til atmosfærisk oxygen for at producere brugbart brint (H₂).

Dette trin er normalt et af de sværeste at designe, så det sker effektivt og ikke spilder elektrisk energi. Det er også det trin, hvor dyre katalysatorer er påkrævet.

I stedet for at bruge disse katalysatorer anvendte forskerne lignin, en komponent i træ og et biprodukt, der er tilbage efter raffinering af træmasse til papir. Processen udtrækker cellulose og efterlader den uønskede lignin.

Den årlige produktion af lignin overstiger 70 millioner ton. I øjeblikket brændes den ofte blot for energi, på trods af at den producerer lidt energi, blot for at bortskaffe den.

“Iltudvikling er en af de største barrierer for effektiv brintproduktion.

Vores arbejde viser, at en katalysator fremstillet af lignin, et lavværdibiprodukt fra papir‑ og biorefinery‑industrien, kan levere høj aktivitet og enestående holdbarhed. Dette giver en grønnere og mere økonomisk vej til storstilet brintgenerering.”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

Fremstilling af lignin til en brintkatalysator

Kulstoffibre som katalysatorer

Generelt betragtes kulstoframmer som ideelle katalysatorer på grund af deres høje overfladeareal, tilpasselige porøsitet, kemiske inaktivitet og fremragende elektriske ledningsevne.

Men andre materialer som polyacrylonitrilfibre eller CVD‑dyrkede kulstoffibre har begrænset anvendelse på grund af høje omkostninger, dyr produktion eller utilstrækkelige kemiske egenskaber.

Forskerne tog den uønskede lignin og indså, at dens aromatrige struktur og komplekse mikroskopiske struktur gør den til en lovende kulstofforløber til fremstilling af højtydende porøse kulstofmaterialer.

Lignins uordnede mikrostruktur kan forankre ultrafine metal‑/metaloxidnanopartikler. Derudover tilbyder dens sammenkoblede fibernetværk lige elektriske motorveje og åbne makroporøse kanaler for elektrisk strøm. Endelig er lignins livscyklus CO₂‑aftryk estimeret til < 0.5 kg CO₂ eq kg^–1, mere end 10‑gange lavere end andre kulstofbaserede materialer, der hidtil er foreslået.

Fremstilling af ligninkatalysatorer

Lignin, polyacrylonitril (PAN) og metalforløbere (Ni²⁺, Fe³⁺) blev co‑opløst i N,N‑dimetylformamid (DMF) og behandlet via elektrospinning for at danne ensartede forløberfibre.

Det blev senere karboniseret for at danne de endelige lignin‑afledte kulstoffibre med metal‑katalysatorer jævnt indlejret i fiberen.

Det resulterende materiale blev analyseret med transmissionselektronmikroskopi, hvilket afslørede NiO/Fe₃O₄‑nanopartikler forankret på de lignin‑afledte kulstoffibre.

En nanoskalajunction mellem NiO og Fe₃O₄ blev også observeret og forventes at lette elektronoverførsel og øge aktiviteten i iltudviklingsreaktionen.

Yderligere analyse ved brug af røntgendiffraktion (XRD), røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Raman‑spektroskopi afslører den strukturelle sammensætning af katalysatoren og finder de optimale betingelser for dannelsen af NiO‑ og Fe₃O₄‑junctionen.

Måling af katalyseydelse

Swipe for at rulle →

Oxygenudviklingsreaktiviteten blev derefter målt og sammenlignet med NiO‑ og Fe3O4‑materialet, når de var adskilte.
Det viste, at de kemiske reaktioner for brintproduktion er stærkest, når begge metal‑katalysatorer er til stede. Det demonstrerede også katalysatorens langtidsholdbarhed, med mere end 50 timers kontinuerlig drift uden væsentlig skade på katalysatoren.

Forskere gik derefter dybere og forsøgte at forstå præcis hvilke reaktioner der foregår, og beviste, at reaktionen følger en proces kendt som en “adsorptions‑evolutionsmekanisme (AEM) pathway”, med på hinanden følgende optagelse af elektroner og midlertidige ladede former af oxygen, individuelle atomer og molekyler.

Anvendelser

Brugen af meget billig lignin, jern og forholdsvis billig nikkel til at skabe en høj‑effektiv, lav‑pris, lang‑holdbar brintkatalysator åbner vejen til to ting på én gang:

• Værdiskabelse af lignin, et kulstofbiprodukt, der i øjeblikket brændes, ved at gøre det til en grøn energikatalysator i stedet.
• Muligheden for masseproduktion af en brintkatalysator med en metode, der kan skaleres hurtigt.

Da alle metoder og materialer, der anvendes i denne undersøgelse, er lette at skalere, kan dette være det første alternative katalysatormateriale til brintproduktion, der ikke kun undgår sjældne metaller fra platin‑gruppen, men også kan implementeres umiddelbart i stor skala for masseproduktion.
Yderligere studier vil være nødvendige for at vurdere den meget langsigtede stabilitet af den modificerede lignin (>1 år med kontinuerlig eller uregelmæssig brug) under reelle forhold, med ændringer i fugtighed, temperatur, UV‑lys osv., som skal vurderes for dens levedygtighed som en industrielt skaleret brintkatalysator.

Investering i brintproduktion

Plug Power er en førende aktør inden for grøn brint med fokus på brændselsceller. Virksomheden rapporterer over 72.000 installerede brændselsceller på mere end 300 lokationer, med en stor tilstedeværelse i materialehåndteringsflåder. Især driver deres brændselsceller over 40.000 gaffeltrucks, med indtægter, der er steget 8‑fold siden 2013.

Den er også aktiv i opbygning af brintinfrastruktur, såsom brintproduktion, logistik, el‑skala kraftgenerering og leverancer.

Virksomheden sigter mod at skalere for at reducere omkostningerne ved brintproduktion fra $10/kg til $4/kg, samtidig med at produktionen multipliceres med 14‑fold i 2027. Den bør også erstatte al eksternt indkøbt brint, som ofte blev videresolgt til kunder med tab.

På grund af de massive investeringer for at øge produktionskapaciteten 19‑fold siden 2020 er virksomheden endnu ikke rentabel, men fremskridt i egen brintproduktion bør ændre dette.

Virksomheden ser sine løsninger som enten et direkte mobilitetsbrændstof eller et supplement til elbiler, da brint muliggør en reduktion af belastningen på elnettet under elbilernes spidsbelastningsperioder, som ikke stemmer overens med produktionen af vedvarende energi i løbet af dagen.

Som en stor producent af brændselsceller vil Plug Power i høj grad drage fordel af en overgang til en brintbaseret økonomi. En billigere brændselscellekatalysator kunne integreres i deres design og øge adoptionsraten for brintkøretøjer og energilagring i net‑skala.

Derfor er Plug Power en god aktie at satse på i forbindelse med den generelle drejning mod brint, med en stigende efterspørgsel efter deres brændselsceller hver gang en billigere metode til at producere, lagre, transportere eller udnytte brint opfindes.

(Du kan læse mere om Plug Power i vores dedikerede investeringsrapport om virksomheden.)

Seneste Plug Power (PLUG) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. Lignin-derived carbon fibers loaded with NiO/Fe3O4 to promote oxygen evolution reaction. BiocharX. 1, Artikelnummer: e011. 27 november 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}