I rifiuti delle cartiere diventano un catalizzatore per l’idrogeno verde

Trasformare i rifiuti delle cartiere in catalizzatori per l’idrogeno

La chiave per far sì che la produzione di idrogeno verde diventi una pietra miliare della nostra economia è renderla sufficientemente economica da competere con i combustibili fossili o altri carburanti liquidi artificiali.

Il processo deve inoltre essere il più sostenibile possibile, poiché sostituire l’inquinamento da combustibili fossili con un altro tipo di inquinamento sarebbe controproducente.

Una carenza di investimenti e infrastrutture è stata anche un problema, qualcosa che megaprogetti come il European Hydrogen Backbone (EHB) dovrebbero risolvere.

Tuttavia, il principale problema della produzione di idrogeno sono i suoi catalizzatori. Per molto tempo, l’elettrolisi dell’idrogeno si è basata su catalizzatori costosi a base di platino o palladio. Poiché questi metalli sono molto rari e costosi (come abbiamo spiegato in “Investing In Platinum – The Universal Catalyst”), anche gli elettrolizzatori di idrogeno sono molto costosi.

Fortunatamente, sta emergendo una serie di alternative, ad esempio, nanorods of nickel, iron nanoscopic hollow balls, silicon carbide for photocatalysis, o cobalt tungsten oxide.

Una nuova opzione, potenzialmente ancora più sostenibile, è stata proposta da ricercatori dell’Università Agricola di Shenyang e della Guangdong University of Technology (Cina), che utilizzano i rifiuti della produzione di carta come catalizzatore.

Hanno pubblicato i loro risultati su Biochar, con il titolo “Lignin-derived carbon fibers loaded with NiO/Fe3O4 to promote oxygen evolution reaction”.

Evoluzione dell’ossigeno per la produzione di idrogeno

L’acqua, composta da atomi di ossigeno e idrogeno (H₂O), deve trasformare gli atomi di ossigeno in ossigeno atmosferico per produrre idrogeno utilizzabile (H₂).

Questo passaggio è solitamente uno dei più difficili da progettare affinché avvenga in modo efficiente e non sprechi energia elettrica. È anche il punto in cui sono richiesti catalizzatori costosi.

Invece di utilizzare questi catalizzatori, i ricercatori hanno impiegato la lignina, un componente del legno e un sottoprodotto residuo della raffinazione della polpa di legno in carta. Il processo estrae la cellulosa, lasciando la lignina indesiderata.

La produzione annuale di lignina supera i 70 milioni di tonnellate. Attualmente, viene spesso semplicemente bruciata per energia, nonostante produca poca potenza, solo per smaltirla.

“L’evoluzione dell’ossigeno è una delle più grandi barriere alla produzione efficiente di idrogeno.

Il nostro lavoro dimostra che un catalizzatore realizzato a partire dalla lignina, un sottoprodotto a basso valore, può offrire alta attività e durata eccezionale. Questo fornisce una via più verde ed economica per la generazione di idrogeno su larga scala.”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

Realizzare la lignina in un catalizzatore per l’idrogeno

Fibre di carbonio come catalizzatori

In generale, le strutture di carbonio sono considerate ideali come catalizzatori grazie alla loro alta superficie, porosità personalizzabile, inerzia chimica ed eccellente conduttività elettrica.

Tuttavia, altri materiali come le fibre di poliacrilonitrile o le fibre di carbonio cresciute via CVD hanno un uso limitato a causa dei costi elevati, della produzione costosa o di caratteristiche chimiche insufficienti.

I ricercatori hanno preso la lignina indesiderata e hanno constatato che la sua struttura ricca di aromatici e la complessa struttura microscopica la rendono un promettente precursore di carbonio per la fabbricazione di materiali carboniosi porosi ad alte prestazioni.

La microstruttura disordinata della lignina può ancorare nanoparticelle ultrafini di metallo/metallo-ossido. Inoltre, la sua rete di fibre interconnesse offre percorsi elettronici diretti e canali macroporosi aperti per il flusso di corrente elettrica. Infine, l’impronta di carbonio del ciclo di vita della lignina è stimata < 0,5 kg CO₂ eq kg^–1, più di 10 volte inferiore rispetto ad altri materiali a base di carbonio proposti finora.

Produzione di catalizzatori a base di lignina

Lignina, poliacrilonitrile (PAN) e precursori metallici (Ni²⁺, Fe³⁺) sono stati co-dissolti in N,N-dimetilformammide (DMF) e lavorati mediante elettrofilatura per formare fibre precursori uniformi.

Successivamente è stata carbonizzata per formare le fibre di carbonio derivate dalla lignina con catalizzatori metallici uniformemente incorporati nella fibra.

Il materiale risultante è stato analizzato mediante microscopia elettronica a trasmissione, rivelando le nanoparticelle NiO/Fe₃O₄ ancorate alle fibre di carbonio derivate dalla lignina.

È stata osservata anche una giunzione nanoscalare tra NiO e Fe₃O₄, che dovrebbe facilitare il trasferimento di elettroni e aumentare l’attività della reazione di evoluzione dell’ossigeno.

Ulteriori analisi mediante diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e spettroscopia Raman rivelano la composizione strutturale del catalizzatore, individuando le condizioni ottimali per la formazione della giunzione NiO e Fe₃O₄.

Misurazione delle prestazioni catalitiche

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L’attività della reazione di evoluzione dell’ossigeno è stata quindi misurata e confrontata con i materiali NiO e Fe₃O₄ separati.

Ha dimostrato che le reazioni chimiche per la produzione di idrogeno sono più forti quando entrambi i catalizzatori metallici sono presenti. Ha inoltre dimostrato la stabilità a lungo termine del catalizzatore, con oltre 50 ore di funzionamento continuo senza danni significativi.

Gli scienziati hanno poi approfondito, cercando di capire esattamente quali reazioni avvengono, dimostrando che la reazione segue un processo noto come “meccanismo di adsorbimento-evoluzione (AEM)”, con assorbimento successivo di elettroni e forme temporanee cariche di ossigeno, atomi e molecole individuali.

Applicazioni

L’uso di lignina molto economica, ferro e nichel relativamente economico, per creare un catalizzatore per l’idrogeno ad alta efficienza, a basso costo e lunga durata, sta aprendo la strada a due cose contemporaneamente:

• Valorizzazione della lignina, un sottoprodotto carbonioso che attualmente viene bruciato, trasformandolo in un catalizzatore di energia verde invece.
• La possibilità di produrre in massa un catalizzatore per l’idrogeno con un metodo che può essere rapidamente scalato.

Poiché tutti i metodi e i materiali utilizzati in questo studio sono facili da scalare, questo potrebbe essere il primo materiale catalitico alternativo per la produzione di idrogeno che non solo non utilizza metalli rari del gruppo del platino, ma può anche essere immediatamente impiegato su larga scala per la produzione di massa.

Saranno necessari ulteriori studi per valutare la stabilità a lungo termine della lignina modificata (>1 anno di utilizzo continuo o irregolare) in condizioni reali, con variazioni di umidità, temperatura, luce UV, ecc., da valutare per la sua fattibilità come catalizzatore di idrogeno su scala industriale.

Investire nella produzione di idrogeno

Plug Power Inc.

Plug Power è un leader nell’idrogeno verde, con un focus sulle celle a combustibile. L’azienda riporta oltre 72.000 celle a combustibile installate in più di 300 sedi, con una grande presenza nelle flotte di movimentazione materiali. In particolare, le sue celle alimentano oltre 40.000 carrelli elevatori, con ricavi aumentati di 8 volte dal 2013.

È inoltre attiva nella costruzione di infrastrutture per l’idrogeno, come produzione di idrogeno, logistica, generazione di energia su scala utility e consegne.

L’azienda punta a scalare per ridurre i costi di produzione dell’idrogeno da $10/kg a $4/kg, raddoppiando la produzione di 14 volte entro il 2027. Dovrebbe inoltre sostituire tutto l’idrogeno proveniente da fonti esterne, spesso rivenduto ai clienti in perdita.

A causa dei massicci investimenti per aumentare la capacità produttiva di 19 volte dal 2020, l’azienda non è ancora redditizia, ma i progressi nell’approvvigionamento del proprio idrogeno dovrebbero cambiare la situazione.

L’azienda vede le proprie soluzioni come un combustibile di mobilità diretto o un complemento ai veicoli elettrici, poiché l’idrogeno consente di ridurre la pressione sulla rete durante i picchi di ricarica dei veicoli elettrici, che non coincidono con i periodi di produzione delle energie rinnovabili durante il giorno.

Come grande produttore di celle a combustibile, Plug Power trarrebbe enormi benefici da una transizione verso un’economia basata sull’idrogeno. Un catalizzatore per celle a combustibile più economico potrebbe essere integrato nei suoi progetti, aumentando il tasso di adozione dei veicoli a idrogeno e dello stoccaggio di energia su scala di rete.

Pertanto, Plug Power è un’azione interessante su cui puntare nella transizione verso l’idrogeno in generale, con una crescita della domanda per le sue celle a combustibile ogni volta che viene inventato un metodo più economico per produrre, immagazzinare, trasportare o utilizzare l’idrogeno.

(Puoi leggere di più su Plug Power nel nostro rapporto di investimento dedicato all’azienda.)

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Plug Power (PLUG)

Studio di riferimento

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. Fibre di carbonio derivate da lignina caricate con NiO/Fe3O4 per favorire la reazione di evoluzione dell’ossigeno. BiocharX. 1, Numero articolo: e011. 27 novembre 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}