Les déchets de l’usine de papier deviennent un catalyseur pour l’hydrogène vert

Transformer les déchets de l’usine de papier en catalyseurs d’hydrogène

La clé pour que la production d’hydrogène vert devienne un pilier de notre économie est de la rendre suffisamment bon marché pour concurrencer les combustibles fossiles ou d’autres carburants liquides artificiels.

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

Un manque d’investissement et d’infrastructures a également été un problème, que des méga‑projets comme le European Hydrogen Backbone (EHB) devrait résoudre.

Cependant, 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. Comme ces métaux sont très rares et chers (comme nous l’avons expliqué dans « Investir dans le platine – Le catalyseur universel »), les électrolyseurs d’hydrogène sont également très coûteux.

Heureusement, une série d’alternatives émerge, par exemple, des nanorods de nickel, des boules creuses nanoscopiques en fer, du carbure de silicium pour la photocatalyse, ou de l’oxyde de cobalt tungstène.

Une nouvelle option, peut‑être encore plus durable, a été proposée par des chercheurs de l’Université agricole de Shenyang et de l’Université de technologie du Guangdong (Chine), utilisant les déchets de la production de papier comme catalyseur.

Ils ont publié leurs résultats dans Biochar, sous le titre « Fibres de carbone dérivées de la lignine chargées de NiO/Fe3O4 pour favoriser la réaction d’évolution de l’oxygène ».

Évolution de l’oxygène pour la production d’hydrogène

L’eau, 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).

Cette étape est généralement l’une des plus difficiles à concevoir afin qu’elle se déroule efficacement et ne gaspille pas d’énergie électrique. C’est également l’endroit où des catalyseurs coûteux sont nécessaires.

Au lieu d’utiliser ces catalyseurs, les chercheurs ont utilisé de la lignine, un composant du bois et un sous‑produit résiduel du raffinage de la pâte à papier. Le processus extrait la cellulose, laissant la lignine indésirable.

La production annuelle de lignine dépasse 70 millions de tonnes. Actuellement, elle est souvent simplement brûlée pour l’énergie, malgré une faible production d’électricité, uniquement pour s’en débarrasser.

“L’évolution de l’oxygène est l’un des plus grands obstacles à la production efficace d’hydrogène.

Notre travail montre qu’un catalyseur fabriqué à partir de lignine, un sous‑produit de faible valeur des industries du papier et de la bioraffinerie, peut offrir une activité élevée et une durabilité exceptionnelle. Cela fournit une voie plus verte et plus économique pour la production d’hydrogène à grande échelle.”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

Transformer la lignine en catalyseur d’hydrogène

Fibres de carbone comme catalyseurs

En général, les échafaudages de carbone sont considérés comme idéaux comme catalyseurs en raison de leur grande surface, de leur porosité modulable, de leur inertie chimique et de leur excellente conductivité électrique.

Cependant, d’autres matériaux comme les fibres de polyacrylonitrile ou les fibres de carbone cultivées par CVD sont d’utilité limitée en raison de leurs coûts élevés, de leur fabrication coûteuse ou de leurs caractéristiques chimiques insuffisantes.

Les chercheurs ont récupéré la lignine indésirable et ont constaté que sa structure riche en aromatiques et sa structure microscopique complexe en font un précurseur carbone prometteur pour la fabrication de matériaux carbonés poreux haute performance.

La microtexture désordonnée de la lignine peut ancrer des nanoparticules métal/oxyde métallique ultra‑fines. De plus, son réseau de fibres interconnectées offre des voies électroniques directes et des canaux macroporeux ouverts pour le flux du courant électrique. Enfin, l’empreinte carbone du cycle de vie de la lignine est estimée à < 0,5 kg CO₂ eq kg^–1, soit plus de 10 fois moins que les autres matériaux à base de carbone proposés jusqu’à présent.

Production de catalyseurs à base de lignine

La lignine, le polyacrylonitrile (PAN) et les précurseurs métalliques (Ni²⁺, Fe³⁺) ont été co‑dissous dans le 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 dérivées de la lignine finales avec les catalyseurs métalliques uniformément incorporés dans la fibre.

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

Une jonction nanométrique entre NiO et Fe₃O₄ a également été observée, et devrait faciliter le transfert d’électrons et augmenter l’activité de la réaction d’évolution de l’oxygène.

Des analyses supplémentaires utilisant la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie photoélectronique X (XPS) et la spectroscopie Raman révèlent la composition structurale du catalyseur, identifiant les meilleures conditions pour la formation de la jonction NiO et Fe₃O₄.

Mesure de la performance catalytique

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L’activité de la réaction d’évolution de l’oxygène a ensuite été mesurée et comparée aux matériaux NiO et Fe3O4 lorsqu’ils étaient séparés.

Elle a démontré que les réactions chimiques pour la production d’hydrogène sont les plus fortes lorsque les deux catalyseurs métalliques sont présents. Elle a également démontré la stabilité à long terme du catalyseur, avec plus de 50 heures de fonctionnement continu sans dommage significatif au catalyseur.

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

Applications

L’utilisation de lignine très bon marché, de fer et de nickel relativement bon marché, pour créer un catalyseur d’hydrogène à haute efficacité, faible coût et longue durabilité ouvre la voie à deux choses simultanément :

• Valorisation de la lignine, un sous‑produit carboné qui est, pour l’instant, brûlé, en le transformant en catalyseur d’énergie verte à la place.
• La possibilité de production de masse d’un catalyseur d’hydrogène avec une méthode pouvant être rapidement mise à l’échelle.

Comme toutes les méthodes et matériaux utilisés dans cette étude sont faciles à mettre à l’échelle, cela pourrait être le 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 la production de masse.

Des études supplémentaires seront nécessaires pour évaluer la stabilité à très long terme de la lignine modifiée (> 1 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 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 leader de l’hydrogène vert, avec un focus sur les piles à combustible. L’entreprise rapporte plus de 72 000 piles à combustible installées dans plus de 300 sites, avec une forte présence dans les flottes de manutention. En particulier, ses piles à combustible alimentent plus de 40 000 chariots élévateurs, avec des revenus multipliés par 8 depuis 2013.

Elle est également active dans la construction d’infrastructures hydrogène, telles que la production d’hydrogène, la logistique, la production d’électricité à l’échelle utilitaire et les livraisons.

L’entreprise vise à atteindre une échelle permettant de réduire les coûts de production d’hydrogène de 10 $/kg à 4 $/kg, tout en multipliant la production par 14 fois d’ici 2027. Elle devrait également remplacer tout l’hydrogène provenant de sources externes, souvent revendu aux clients à perte.

En raison des investissements massifs pour augmenter la capacité de production de 19 fois depuis 2020, l’entreprise n’est pas encore rentable, mais les progrès dans l’approvisionnement de son propre hydrogène devraient changer cela.

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 pics de charge des VE, qui ne coïncident pas avec les périodes de production des énergies renouvelables durant la journée.

En tant que grand producteur de piles à combustible, Plug Power bénéficierait grandement d’un passage à une économie basée sur l’hydrogène. Un catalyseur de pile à combustible moins cher pourrait être intégré à ses conceptions, et stimuler le taux d’adoption des véhicules à hydrogène et du stockage d’énergie à l’échelle du réseau.

Ainsi, cela fait de Plug Power une bonne action sur laquelle miser dans la transition vers l’hydrogène en général, avec une croissance de la demande pour ses piles à combustible chaque fois qu’une méthode moins chère de production, de stockage, de transport ou d’utilisation de l’hydrogène est inventée.

(Vous pouvez en savoir plus sur Plug Power dans notre rapport d’investissement dédié à l’entreprise.)

Dernières actualités et développements de l’action Plug Power (PLUG)

Étude référencée

^{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, Numéro d’article: e011. 27 novembre 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}