Les déchets des papeteries deviennent un catalyseur pour l'hydrogène vert

Transformer les déchets des papeteries en catalyseurs d'hydrogène

Pour que la production d'hydrogène vert devienne une pierre angulaire de notre économie, il est essentiel de la rendre suffisamment bon marché pour concurrencer les combustibles fossiles ou autres carburants liquides artificiels.

Le processus doit également être aussi durable que possible, car remplacer la pollution due aux combustibles fossiles par un autre type de pollution serait contre-productif.

Le manque d'investissements et d'infrastructures a également constitué un problème, un problème que les mégaprojets comme le Le réseau européen d'hydrogène (EHB) devrait résoudre.

Néanmoins, le principal problème de la production d'hydrogène réside dans ses catalyseurs. Pendant longtemps, l'électrolyse de l'hydrogène a reposé sur des catalyseurs coûteux à base de platine ou de palladium. Ces métaux étant très rares et onéreux (comme nous l'avons expliqué dans « Investir dans le platine – Le catalyseur universel« », les électrolyseurs d’hydrogène sont également très coûteux.

Heureusement, plusieurs alternatives émergent, par exemple, nanobâtonnets de nickel, billes creuses nanoscopiques de fer, carbure de silicium pour la photocatalyse, ou oxyde de cobalt et de tungstène.

Des chercheurs de l'Université agricole de Shenyang et de l'Université de technologie du Guangdong (Chine) ont proposé une nouvelle option qui pourrait être encore plus durable, utilisant les déchets de la production de papier comme catalyseur.

Ils ont publié leurs découvertes dans Biochar, sous le titre "Fibres de carbone dérivées de la lignine chargées de NiO/Fe3O4 pour favoriser la réaction de dégagement d'oxygène ».

Évolution de l'oxygène pour la production d'hydrogène

L'eau, étant composée d'atomes d'oxygène et d'hydrogène (H₂O), doit voir ses atomes d'oxygène transformés en oxygène atmosphérique pour produire de l'hydrogène utilisable (H₂).₂).

Cette étape est généralement l'une des plus difficiles à concevoir afin qu'elle se déroule efficacement et sans gaspillage d'énergie électrique. C'est également à ce stade que des catalyseurs coûteux sont nécessaires.

Au lieu d'utiliser ces catalyseurs, les chercheurs ont utilisé la lignine, un composant du bois et un sous-produit du raffinage de la pâte à papier. Ce procédé extrait la cellulose, laissant derrière lui la lignine indésirable.

La production annuelle de lignine dépasse 70 millions de tonnes. Actuellement, elle est souvent brûlée pour produire de l'énergie, malgré le faible rendement énergétique, simplement pour s'en débarrasser.

« Le dégagement d’oxygène est l’un des principaux obstacles à une production efficace d’hydrogène. »

Nos travaux démontrent qu'un catalyseur à base de lignine, un sous-produit à faible valeur ajoutée des industries du papier et du bioraffinage, peut offrir une activité élevée et une durabilité exceptionnelle. Ceci constitue une voie plus écologique et plus économique pour la production d'hydrogène à grande échelle.

- Yanlin Qin, Université de technologie du Guangdong

Transformer la lignine en catalyseur d'hydrogène

Fibres de carbone comme catalyseurs

De manière générale, les supports en carbone sont considérés comme des catalyseurs idéaux en raison de leur grande surface spécifique, de leur porosité ajustable, de leur inertie chimique et de leur excellente conductivité électrique.

Mais d'autres matériaux comme les fibres de polyacrylonitrile ou les fibres de carbone obtenues par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ont une utilité limitée en raison de leur coût élevé, de leur fabrication onéreuse ou de leurs caractéristiques chimiques insuffisantes.

Les chercheurs ont récupéré la lignine indésirable et se sont rendu compte que sa structure riche en composés aromatiques et sa structure microscopique complexe en faisaient un précurseur de carbone prometteur pour la fabrication de matériaux de carbone poreux haute performance.

La microtexture désordonnée de la lignine permet l'ancrage de nanoparticules ultrafines de métal/oxyde métallique. De plus, son réseau de fibres interconnectées offre des voies de conduction électronique rectilignes et des canaux macroporeux ouverts pour la circulation du courant électrique. Enfin, l'empreinte carbone du cycle de vie de la lignine est estimée à moins de 0.5 kg de CO₂.₂ équivalent kg^-1, soit plus de 10 fois moins que les autres matériaux à base de carbone proposés jusqu'à présent.

Catalyseurs de production de lignine

Lignine, polyacrylonitrile (PAN) et précurseurs métalliques (Ni²⁺Fe³⁺) ont été co-dissous dans du N,N-diméthylformamide (DMF) et traités par électrofilage pour former des fibres précurseurs uniformes.

Elle a ensuite été carbonisée pour former les fibres de carbone finales dérivées de la lignine avec des catalyseurs métalliques uniformément incorporés dans la fibre.

Le matériau obtenu a été analysé par microscopie électronique à transmission, révélant la présence de NiO/Fe₃O₄ des nanoparticules ancrées sur des fibres de carbone dérivées de la lignine.

Une jonction à l'échelle nanométrique entre NiO et Fe₃O₄ Ce phénomène a également été observé et devrait faciliter le transfert d'électrons et stimuler l'activité de la réaction de dégagement d'oxygène.

Des analyses complémentaires par diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie photoélectronique X (XPS) et spectroscopie Raman révèlent la composition structurale du catalyseur et déterminent les conditions optimales de formation du NiO et du Fe.₃O₄ jonction.

Mesure des performances catalytiques

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L'activité de la réaction de dégagement d'oxygène a ensuite été mesurée et comparée à celle de NiO et de Fe.₃O₄ matière une fois séparée.

Cette étude a démontré que les réactions chimiques de production d'hydrogène sont optimales en présence des deux catalyseurs métalliques. Elle a également mis en évidence la stabilité à long terme du catalyseur : plus de 50 heures de fonctionnement continu n'ont révélé aucun dommage significatif.

Les scientifiques ont ensuite approfondi leurs recherches, essayant de comprendre exactement quelles réactions se produisent, prouvant que la réaction suit un processus connu sous le nom de « voie du mécanisme d'adsorption-évolution (AEM) », avec une absorption successive d'électrons et de formes chargées temporaires d'oxygène, d'atomes individuels et de molécules.

Applications

L'utilisation de lignine, de fer et de nickel, tous très bon marché, pour créer un catalyseur d'hydrogène à haut rendement, à faible coût et à longue durée de vie, ouvre la voie à deux choses à la fois :

• Valorisation de la lignine, un sous-produit carboné actuellement brûlé, en la transformant en catalyseur d'énergie verte.
• La possibilité d'une production en masse d'un catalyseur d'hydrogène grâce à une méthode rapidement adaptable.

Comme toutes les méthodes et tous les matériaux utilisés dans cette étude sont faciles à mettre à l'échelle, il pourrait s'agir du premier matériau catalytique alternatif pour la production d'hydrogène qui non seulement n'utilise pas de métaux rares du groupe du platine, mais peut également être déployé immédiatement à grande échelle pour une production de masse.

Des études complémentaires seront nécessaires pour évaluer la stabilité à très long terme de la lignine modifiée (plus d'un an d'utilisation continue ou irrégulière) dans des conditions réelles, avec des variations d'humidité, de température, de lumière UV, etc., qui devront être évaluées pour déterminer sa viabilité en tant que catalyseur d'hydrogène à l'échelle industrielle.

Investir dans la production d'hydrogène

Plug Power Inc.

Plug Power est un chef de file de l'hydrogène vert, spécialisé dans les piles à combustible. L'entreprise revendique plus de 72 000 piles à combustible installées sur plus de 300 sites, et une présence importante dans les flottes de manutention. Ses piles à combustible alimentent notamment plus de 40 000 chariots élévateurs, et son chiffre d'affaires a été multiplié par huit depuis 2013.

Elle est également active dans la construction d’infrastructures d’hydrogène, comme la production d’hydrogène, la logistique, la production d’électricité à grande échelle et les livraisons.

L'entreprise vise une production à grande échelle afin de réduire les coûts de production d'hydrogène de 10 $/kg à 4 $/kg, tout en multipliant sa production par 14 d'ici 2027. Elle devrait également remplacer tout l'hydrogène provenant de sources externes, qui était souvent revendu à perte aux clients.

En raison des investissements massifs réalisés pour multiplier par 19 la capacité de production depuis 2020, l'entreprise n'est pas encore rentable, mais les progrès accomplis dans l'approvisionnement en hydrogène devraient changer la donne.

L'entreprise considère ses solutions soit comme un carburant de mobilité directe, soit comme un complément aux véhicules électriques, car l'hydrogène permet de réduire la pression sur le réseau pendant les heures de pointe de charge des véhicules électriques, qui ne correspondent pas aux périodes de production d'énergies renouvelables pendant la journée.

En tant que producteur majeur de piles à combustible, Plug Power bénéficierait grandement d'une transition vers une économie basée sur l'hydrogène. Un catalyseur de pile à combustible moins coûteux pourrait être intégré à ses conceptions et accélérer l'adoption des véhicules à hydrogène et du stockage d'énergie à l'échelle du réseau.

Cela fait de Plug Power une action intéressante sur laquelle miser en misant sur une transition vers l'hydrogène en général, la demande pour ses piles à combustible augmentant à chaque invention d'une méthode moins coûteuse pour produire, stocker, transporter ou utiliser l'hydrogène.

(Vous pouvez Pour en savoir plus sur Plug Power, consultez notre rapport d'investissement dédié à cette entreprise..)

Dernières actualités et développements concernant l'action Plug Power (PLUG)

Étude référencée

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin et Xueqing Qiu. Fibres de carbone dérivées de la lignine chargées de NiO/Fe3O4 pour favoriser la réaction d'évolution de l'oxygène. BiocharX. 1, Numéro d'article : e011. 27 novembre 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}