Papiermüll wird zum Katalysator für grünen Wasserstoff

Papiermüll in Wasserstoffkatalysatoren umwandeln

Der Schlüssel dafür, dass die Produktion von grünem Wasserstoff zu einem Grundpfeiler unserer Wirtschaft wird, besteht darin, sie preiswert genug zu machen, um mit fossilen Brennstoffen oder anderen künstlichen flüssigen Brennstoffen zu konkurrieren.

Der Prozess muss zudem so nachhaltig wie möglich sein, da es kontraproduktiv wäre, die Verschmutzung durch fossile Brennstoffe durch eine andere Form der Verschmutzung zu ersetzen.

Ein Mangel an Investitionen und Infrastruktur war ebenfalls ein Problem, das Megaprojekte wie die European Hydrogen Backbone (EHB) lösen sollten.

Dennoch ist das Hauptproblem bei der Wasserstoffproduktion ihre Katalysatoren. Lange Zeit beruhte die Wasserstoffelektrolyse auf teuren Katalysatoren aus Platin oder Palladium. Da diese Metalle sehr selten und teuer sind (wie wir in „Investing In Platinum – The Universal Catalyst“ erklärt haben), sind die Wasserstoffelektrolyseure ebenfalls sehr kostspielig.

Glücklicherweise tauchen eine Reihe von Alternativen auf, zum Beispiel Nanorods aus Nickel, Eisen‑nanoskoptische Hohlkugeln, Siliziumkarbid für Photokatalyse oder Kobalt‑Wolfram‑Oxid.

Eine neue Option, die noch nachhaltiger sein könnte, wurde von Forschern der Shenyang Agricultural University und der Guangdong University of Technology (China) vorgeschlagen, die Abfallprodukte der Papierherstellung als Katalysator nutzen.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Biochar unter dem Titel „Lignin-derived carbon fibers loaded with NiO/Fe3O4 to promote oxygen evolution reaction“.

Sauerstoffentwicklung für die Wasserstoffproduktion

Wasser, das aus Sauerstoff‑ und Wasserstoffatomen (H₂O) besteht, muss die Sauerstoffatome in atmosphärischen Sauerstoff umwandeln, um nutzbaren Wasserstoff (H₂) zu erzeugen.

Dieser Schritt ist in der Regel einer der schwierigsten zu konstruieren, damit er effizient abläuft und keinen elektrischen Strom verschwendet. Hier werden zudem teure Katalysatoren benötigt.

Statt dieser Katalysatoren nutzten die Forscher Lignin, einen Bestandteil von Holz und ein Nebenprodukt, das bei der Aufbereitung von Holzstoff zu Papier entsteht. Der Prozess extrahiert Zellulose und lässt das unerwünschte Lignin zurück.

Die Jahresproduktion von Lignin übersteigt 70 Millionen Tonnen. Derzeit wird es häufig einfach verbrannt, um Energie zu erzeugen, obwohl dabei kaum Leistung entsteht und es lediglich zur Entsorgung dient.

“Sauerstoffentwicklung ist eines der größten Hindernisse für eine effiziente Wasserstoffproduktion.

Unsere Arbeit zeigt, dass ein aus Lignin hergestellter Katalysator – ein niedrigwertiges Nebenprodukt der Papier‑ und Bioraffinerie‑Industrien – hohe Aktivität und außergewöhnliche Haltbarkeit liefern kann. Dies bietet einen grüneren und wirtschaftlicheren Weg zur großskaligen Wasserstofferzeugung.”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

Lignin zu einem Wasserstoffkatalysator machen

Kohlenstofffasern als Katalysatoren

Im Allgemeinen gelten Kohlenstoffgerüste als ideal für Katalysatoren, weil sie eine hohe Oberfläche, anpassbare Porosität, chemische Inertheit und hervorragende elektrische Leitfähigkeit besitzen.

Andere Materialien wie Polyacrylnitril‑Fasern oder per CVD hergestellte Kohlenstofffasern sind jedoch wegen hoher Kosten, teurer Herstellung oder unzureichender chemischer Eigenschaften nur begrenzt einsetzbar.

Die Forscher nahmen das unerwünschte Lignin und erkannten, dass seine aromatreiche Struktur und komplexe mikroskopische Beschaffenheit es zu einem vielversprechenden Kohlenstoffvorläufer für die Herstellung hochleistungsfähiger poröser Kohlenstoffmaterialien macht.

Lignins ungeordnete Mikrostruktur kann ultrafeine Metall‑/Metall‑Oxid‑Nanopartikel verankern. Darüber hinaus bietet sein miteinander vernetztes Faser‑Netzwerk gerade elektronische Leitungsbahnen und offene makroporöse Kanäle für den Stromfluss. Schließlich wird der CO₂-Fußabdruck von Lignin auf < 0.5 kg CO₂‑Äq kg^–1 geschätzt, mehr als das Zehnfache niedriger als bei anderen bisher vorgeschlagenen kohlenstoffbasierten Materialien.

Herstellung von Lignin‑Katalysatoren

Lignin, Polyacrylnitril (PAN) und Metallvorläufer (Ni²⁺, Fe³⁺) wurden in N,N‑Dimethylformamid (DMF) gemeinsam gelöst und mittels Elektrospinnen zu einheitlichen Vorläuferfasern verarbeitet.

Anschließend wurden sie karbonisiert, um die endgültigen, aus Lignin abgeleiteten Kohlenstofffasern mit gleichmäßig eingebetteten Metallkatalysatoren zu erhalten.

Das resultierende Material wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert, wobei NiO/Fe₃O₄-Nanopartikel auf den aus Lignin abgeleiteten Kohlenstofffasern zu sehen waren.

Eine nanoskalige Verbindung zwischen NiO und Fe₃O₄ wurde ebenfalls beobachtet und soll den Elektronentransfer erleichtern sowie die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steigern.

Weitere Analysen mittels Röntgen‑Diffractions‑(XRD‑), Röntgen‑Photoelektron‑Spektroskopie‑(XPS‑) und Raman‑Spektroskopie zeigen die strukturelle Zusammensetzung des Katalysators und ermitteln die optimalen Bedingungen für die Bildung der NiO‑Fe₃O₄-Verbindung.

Messung der Katalyseleistung

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Die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion wurde anschließend gemessen und mit reinem NiO‑ bzw. Fe₃O₄-Material verglichen, wenn sie getrennt vorlagen.

Es zeigte sich, dass die chemischen Reaktionen für die Wasserstoffproduktion am stärksten sind, wenn beide Metallkatalysatoren gleichzeitig vorhanden sind. Außerdem wurde die Langzeitstabilität des Katalysators demonstriert: über 50 Stunden Dauerbetrieb ohne signifikante Beschädigung.

Die Wissenschaftler untersuchten anschließend genauer, welche Reaktionen genau ablaufen, und bewiesen, dass die Reaktion einem sogenannten „Adsorptions‑Entwicklungs‑Mechanismus (AEM)“-Pfad folgt, bei dem sukzessive Elektronen absorbiert und temporär geladene Sauerstoffformen, einzelne Atome und Moleküle gebildet werden.

Anwendungen

Der Einsatz von sehr billigem Lignin, Eisen und relativ günstigem Nickel zur Herstellung eines hocheffizienten, kostengünstigen und langlebigen Wasserstoffkatalysators eröffnet gleichzeitig zwei Wege:

• Wertschöpfung von Lignin, einem Kohlenstoff‑Nebenprodukt, das derzeit verbrannt wird, und stattdessen in einen grünen Energiekatalysator umwandeln.
• Die Möglichkeit einer Massenproduktion eines Wasserstoffkatalysators mit einem Verfahren, das schnell skaliert werden kann.

Da alle in dieser Studie verwendeten Methoden und Materialien leicht skalierbar sind, könnte dies das erste alternative Katalysatormaterial für die Wasserstoffproduktion sein, das nicht nur keine seltenen Platin‑Gruppemetalle verwendet, sondern auch sofort in großem Maßstab für die Massenproduktion eingesetzt werden kann.

Weitere Studien werden nötig sein, um die sehr langfristige Stabilität des modifizierten Lignins (> 1 Jahr kontinuierlicher oder intermittierender Nutzung) unter realen Bedingungen zu beurteilen, wobei Änderungen von Feuchtigkeit, Temperatur, UV‑Licht usw. für seine Eignung als industrieller Wasserstoffkatalysator bewertet werden müssen.

Investition in die Wasserstoffproduktion

Plug Power Inc.

Plug Power ist ein Vorreiter im Bereich grüner Wasserstoff und konzentriert sich auf Brennstoffzellen. Das Unternehmen berichtet über 72 000+ installierte Brennstoffzellen an über 300 Standorten, mit einem großen Fußabdruck in Material‑Handling‑Flotten. Insbesondere versorgen seine Brennstoffzellen über 40 000 Gabelstapler, wobei die Umsätze seit 2013 um das Achtfache gestiegen sind.

Es ist zudem aktiv im Aufbau von Wasserstoff‑Infrastruktur, etwa bei der Wasserstoffproduktion, Logistik, großskaliger Stromerzeugung und Lieferungen.

Das Unternehmen strebt eine Skalierung an, um die Kosten der Wasserstoffproduktion von 10 $/kg auf 4 $/kg zu senken, während die Produktion bis 2027 um das 14‑fache erhöht werden soll. Es soll zudem den gesamten extern zugekauften Wasserstoff ersetzen, der häufig mit Verlust an Kunden weiterverkauft wurde.

Aufgrund der massiven Investitionen, die die Produktionskapazität seit 2020 um das 19‑fache erhöht haben, ist das Unternehmen noch nicht profitabel, doch Fortschritte bei der Eigenproduktion von Wasserstoff sollten dies ändern.

Das Unternehmen sieht seine Lösungen entweder als direkten Mobilitäts‑Kraftstoff oder als Ergänzung zu Elektrofahrzeugen, da Wasserstoff den Druck auf das Netz während der Spitzenladezeiten von E‑Fahrzeugen reduzieren kann, die nicht mit den Tageszeiten der erneuerbaren Stromerzeugung übereinstimmen.

Als großer Hersteller von Brennstoffzellen würde Plug Power stark von einer Hinwendung zu einer wasserstoffbasierten Wirtschaft profitieren. Ein günstigerer Brennstoffzellen‑Katalysator könnte in seine Designs integriert werden und die Akzeptanz von Wasserstofffahrzeugen sowie die Energiespeicherung im Netz‑maßstab erhöhen.

Damit ist Plug Power eine gute Aktie, um auf die allgemeine Hinwendung zu Wasserstoff zu setzen, da die Nachfrage nach seinen Brennstoffzellen jedes Mal steigt, wenn ein günstigeres Verfahren zur Produktion, Speicherung, zum Transport oder zur Nutzung von Wasserstoff erfunden wird.

(Sie können mehr über Plug Power in unserem dedizierten Investitionsbericht zum Unternehmen lesen.)

Neueste Plug Power (PLUG) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie zitiert

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. Lignin-abgeleitete Kohlenstofffasern beladen mit NiO/Fe3O4 zur Förderung der Sauerstoffentwicklungsreaktion. BiocharX. 1, Artikelnummer: e011. 27 November 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}