Energía
Los residuos de la fábrica de papel se convierten en un catalizador para el hidrógeno verde
Convertir los residuos de la fábrica de papel en catalizadores de hidrógeno
La clave para que la producción de hidrógeno verde se convierta en una piedra angular de nuestra economía es hacerlo lo suficientemente barato como para competir con los combustibles fósiles u otros combustibles líquidos artificiales.
El proceso también debe ser lo más sostenible posible, ya que reemplazar la contaminación de los combustibles fósiles con otro tipo de contaminación sería contraproducente.
La falta de inversión e infraestructura también ha sido un problema, algo que megaprojectos como el European Hydrogen Backbone (EHB) debería resolver.
Sin embargo, el principal problema de la producción de hidrógeno son sus catalizadores. Durante mucho tiempo, la electrólisis del hidrógeno dependió de catalizadores costosos que utilizaban platino o paladio. Como estos metales son muy raros y costosos (como explicamos en “Invertir en platino – El catalizador universal”), los electrolizadores de hidrógeno también son muy caros.
Afortunadamente, están surgiendo una serie de alternativas, por ejemplo, nanorods de níquel, bolas huecas nanoscópicas de hierro, carburo de silicio para fotocatálisis, o óxido de cobalto y tungsteno.
Una nueva opción que podría ser aún más sostenible ha sido propuesta por investigadores de la Universidad Agrícola de Shenyang y la Universidad de Tecnología de Guangdong (China), utilizando residuos de la producción de papel como catalizador.
Publicaron sus hallazgos en Biochar, bajo el título “Lignin-derived carbon fibers loaded with NiO/Fe3O4 to promote oxygen evolution reaction”.
Resumen
Los investigadores han transformado los residuos de lignina de las fábricas de papel en un catalizador de carbono duradero y de bajo costo capaz de impulsar la reacción de evolución de oxígeno en la producción de hidrógeno verde, sin metales del grupo del platino.
Evolución de oxígeno para la producción de hidrógeno
El agua, compuesta por átomos de oxígeno e hidrógeno (H2O), necesita que los átomos de oxígeno se conviertan en oxígeno atmosférico para producir hidrógeno utilizable (H2).
Este paso suele ser uno de los más difíciles de diseñar para que ocurra de manera eficiente y no desperdicie energía eléctrica. También es donde se requieren catalizadores costosos.
En lugar de usar estos catalizadores, los investigadores utilizaron lignina, un componente de la madera y un subproducto que queda del refinado de la pulpa de madera para papel. El proceso extrae celulosa, dejando la lignina no deseada.
La producción anual de lignina supera los 70 millones de toneladas. Actualmente, a menudo se quema simplemente para obtener energía, a pesar de producir poca potencia, solo para desecharla.
“Oxygen evolution is one of the biggest barriers to efficient hydrogen production.
Our work shows that a catalyst made from lignin, a low-value byproduct of the paper and biorefinery industries, can deliver high activity and exceptional durability. This provides a greener and more economical route to large-scale hydrogen generation.”
Convertir la lignina en un catalizador de hidrógeno
Fibras de carbono como catalizadores
En general, las estructuras de carbono se consideran ideales como catalizadores debido a su alta superficie, porosidad ajustable, inercia química y excelente conductividad eléctrica.
Sin embargo, otros materiales como fibras de poliacrilonitrilo o fibras de carbono cultivadas por CVD tienen un uso limitado debido a altos costos, fabricación costosa o características químicas insuficientes.
Los investigadores tomaron la lignina no deseada y se dieron cuenta de que su estructura rica en aromáticos y su compleja estructura microscópica la convierten en una prometedora precursora de carbono para la fabricación de materiales de carbono poroso de alto rendimiento.
La microtextura desordenada de la lignina puede anclar nanopartículas ultrafinas de metal/óxido de metal. Además, su red de fibras interconectadas ofrece vías electrónicas directas y canales macroporosos abiertos para el flujo de corriente eléctrica. Por último, la huella de carbono del ciclo de vida de la lignina se estima en < 0.5 kg CO2 eq kg–1, más de 10 veces menor que otros materiales basados en carbono propuestos hasta ahora.
Producción de catalizadores de lignina
La lignina, el poliacrilonitrilo (PAN) y los precursores metálicos (Ni2+, Fe3+) se co‑disolvieron en N,N‑dimetilformamida (DMF) y se procesaron mediante electrospinning para formar fibras precursoras uniformes.
Posteriormente se carbonizó para formar las fibras de carbono derivadas de lignina con catalizadores metálicos uniformemente incrustados en la fibra.
El material resultante se analizó mediante microscopía electrónica de transmisión, revelando las nanopartículas NiO/Fe3O4 ancladas a las fibras de carbono derivadas de lignina.
También se observó una unión a nanoescala entre NiO y Fe3O4, que se espera facilite la transferencia de electrones y aumente la actividad de la reacción de evolución de oxígeno.
Un análisis adicional mediante difracción de rayos X (XRD), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) y espectroscopía Raman revela la composición estructural del catalizador, encontrando las mejores condiciones para la formación de la unión NiO y Fe3O4.
Medición del rendimiento catalítico
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| Tipo de catalizador | Materiales clave | Costo relativo | Durabilidad | Escalabilidad |
|---|---|---|---|---|
| Basado en platino | Pt, Ir | Muy alto | Excelente | Limitada |
| Basado en níquel | Aleaciones de Ni | Moderado | Buena | Alta |
| Carbono derivado de lignina | Lignin, NiO, Fe3O4 | Bajo | Alta (50h+) | Muy alta |
La actividad de la reacción de evolución de oxígeno se midió luego y se comparó con el material NiO y Fe3O4 cuando estaban separados.
Demostró que las reacciones químicas para la producción de hidrógeno son más fuertes cuando ambos catalizadores metálicos están presentes. También demostró la estabilidad a largo plazo del catalizador, con más de 50 horas de operación continua sin daño significativo al catalizador.
Los científicos profundizaron luego, intentando entender exactamente qué reacciones están ocurriendo, demostrando que la reacción sigue un proceso conocido como “mecanismo de adsorción‑evolución (AEM)”, con absorción sucesiva de electrones y formas cargadas temporalmente de oxígeno, átomos individuales y moléculas.
Aplicaciones
El uso de lignina muy barata, hierro y níquel algo económico, para crear un catalizador de hidrógeno de alta eficiencia, bajo costo y larga durabilidad está abriendo el camino a dos cosas a la vez:
- Valoración de la lignina, un subproducto de carbono que, por ahora, se quema, convirtiéndolo en un catalizador de energía verde.
- La posibilidad de producción masiva de un catalizador de hidrógeno con un método que puede escalarse rápidamente.
Como todos los métodos y materiales utilizados en este estudio son fáciles de escalar, este podría ser el primer material catalizador alternativo para la producción de hidrógeno que no solo no utiliza metales raros del grupo del platino, sino que también puede desplegarse inmediatamente a gran escala para producción masiva.
Se necesitarán estudios adicionales para evaluar la estabilidad a muy largo plazo de la lignina modificada (>1 año de uso continuo o irregular) en condiciones reales, con cambios en humedad, temperatura, luz UV, etc., que deben evaluarse para su viabilidad como catalizador de hidrógeno a escala industrial.
Invertir en la producción de hidrógeno
Conclusión para inversores
Este avance destaca cómo los materiales derivados de residuos podrían reducir significativamente los costos de producción de hidrógeno, beneficiando a empresas como Plug Power al acelerar la adopción de pilas de combustible y la economía de la infraestructura.
Plug Power Inc.
(PLUG )
Plug Power es un líder en hidrógeno verde, con un enfoque en pilas de combustible. La empresa reporta más de 72,000 pilas de combustible instaladas en más de 300 ubicaciones, con una gran presencia en flotas de manejo de materiales. En particular, sus pilas de combustible alimentan a más de 40,000 montacargas, con ingresos multiplicados por 8 desde 2013.
También está activa en la construcción de infraestructura de hidrógeno, como producción de hidrógeno, logística, generación de energía a escala de servicios públicos y entregas.
La compañía apunta a escalar para reducir los costos de producción de hidrógeno de $10/kg a $4/kg, mientras multiplica la producción por 14 veces en 2027. También debería reemplazar todo el hidrógeno de origen externo, que a menudo se revendía a los clientes con pérdidas.
Debido a las enormes inversiones para aumentar la capacidad de producción 19 veces desde 2020, la empresa aún no es rentable, pero el progreso en la obtención de su propio hidrógeno debería cambiar eso.
La empresa ve sus soluciones como un combustible de movilidad directa o como complemento a los vehículos eléctricos, ya que el hidrógeno permite reducir la presión sobre la red durante los picos de carga de los EV, que no coinciden con los períodos de producción de energías renovables durante el día.
Como gran productor de pilas de combustible, Plug Power se beneficiaría enormemente de un cambio hacia una economía basada en hidrógeno. Un catalizador de pilas de combustible más barato podría integrarse en sus diseños y aumentar la tasa de adopción de vehículos de hidrógeno y almacenamiento de energía a escala de red.
Por lo tanto, esto convierte a Plug Power en una buena acción para apostar por un giro hacia el hidrógeno en general, con un crecimiento en la demanda de sus pilas de combustible cada vez que se inventa un método más barato para producir, almacenar, transportar o utilizar hidrógeno.
(Puedes leer más sobre Plug Power en nuestro informe de inversión dedicado a la empresa.)
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Estudio Referenciado
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, Número de artículo: e011. 27 de noviembre de 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011
