製紙工場の廃棄物がグリーン水素の触媒に変わる

製紙工場の廃棄物を水素触媒に変える

グリーン水素の生産を経済の基盤にする鍵は、化石燃料や他の人工液体燃料と競争できるほどコストを下げることです。

このプロセスはできるだけ持続可能である必要があります。化石燃料の汚染を別の種類の汚染に置き換えることは逆効果になるからです。

投資とインフラの不足も問題となっており、European Hydrogen Backbone (EHB) のようなメガプロジェクトが解決すべき課題です。

それでも、水素生産の主な問題は触媒にあります。長い間、水素電解はプラチナやパラジウムを使用した高価な触媒に依存してきました。これらの金属は非常に希少で高価であるため（「Investing In Platinum – The Universal Catalyst」で説明したように）、水素電解装置も非常に高価になります。

幸いなことに、代替案が次々と登場しています。例えば、nanorods of nickel、iron nanoscopic hollow balls、silicon carbide for photocatalysis、あるいはcobalt tungsten oxideなどがあります。

さらに持続可能性が高い可能性として、中国・瀋陽農業大学と広東工業大学の研究者が、製紙プロセスの廃棄物を触媒として利用する方法を提案しました。

彼らはその成果を Biochar に掲載し、タイトルは「Lignin-derived carbon fibers loaded with NiO/Fe3O4 to promote oxygen evolution reaction」としました。

水素生産のための酸素発生

水は酸素と水素原子（H₂O）から構成されており、酸素原子を大気中の酸素に変換して利用可能な水素（H₂）を生成する必要があります。

この工程は通常、効率的に行われ電力の無駄を出さないように設計するのが最も難しい工程の一つであり、高価な触媒が必要とされます。

研究者はこれらの触媒の代わりに、木材の成分であり紙の製造過程で副産物として残るリグニンを使用しました。プロセスはセルロースを抽出し、不要なリグニンを残します。

リグニンの年間生産量は7,000万トンを超えます。現在はほとんどがエネルギーとして燃焼されますが、発電効率は低く、処分のために燃やされているに過ぎません。

“酸素発生は効率的な水素生産における最大の障壁の一つです。

我々の研究は、紙・バイオリファイナリー産業の低価値副産物であるリグニンから作られた触媒が高い活性と卓越した耐久性を示すことを明らかにしました。これにより、大規模な水素生成へのより環境に優しく経済的なルートが提供されます。”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

リグニンを水素触媒にする

炭素繊維を触媒として

一般に、炭素スキャフォールドは表面積が大きく、孔径を調整可能で、化学的に不活性かつ優れた電気伝導性を持つため、理想的な触媒と考えられています。

しかし、ポリアクリロニトリル繊維やCVD成長炭素繊維など他の材料は、コストが高い、製造が高価、または化学特性が不十分であるため、利用が限定的です。

研究者は不要となったリグニンが芳香族が豊富な構造と複雑な微細構造を持ち、高性能多孔質炭素材料の前駆体として有望であることに気付きました。

リグニンの無秩序な微細構造は、超微細な金属／金属酸化物ナノ粒子を固定化できます。さらに、相互接続された繊維ネットワークは直線的な電子高速道路と開放的な大孔チャネルを提供し、電流の流れを容易にします。最後に、リグニンのライフサイクル炭素フットプリントは <0.5 kg CO₂ eq kg^–1 と推定され、これまで提案された他の炭素系材料の10倍以上低減されています。

リグニン触媒の製造

リグニン、ポリアクリロニトリル（PAN）および金属前駆体（Ni²⁺, Fe³⁺）を N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）に共溶解し、エレクトロスピニングで均一な前駆体繊維を形成しました。

その後炭化させ、金属触媒が均一に埋め込まれた最終的なリグニン由来炭素繊維を得ました。

得られた材料は透過電子顕微鏡（TEM）で分析され、NiO/Fe₃O₄ ナノ粒子がリグニン由来炭素繊維に固定化されていることが確認されました。

NiO と Fe₃O₄ のナノスケール接合部も観察され、電子移動を促進し酸素発生反応活性を高めると期待されています。

X線回折（XRD）、X線光電子分光（XPS）、ラマン分光を用いた更なる分析により、触媒の構造組成が明らかになり、NiO と Fe₃O₄ 接合部の形成に最適な条件が特定されました。

触媒性能の測定

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その後、酸素発生反応活性が測定され、単体の NiO および Fe₃O₄ と比較されました。

金属触媒が両方存在する場合に水素生成の化学反応が最も強くなることが示され、さらに 50 時間以上の連続運転で触媒に有意な損傷が見られないことから、長期的な安定性も実証されました。

研究者はさらに深く掘り下げ、反応が「吸着‑進化メカニズム（AEM）経路」に従うことを証明しました。このプロセスでは電子の逐次吸着と一時的に帯電した酸素の形態、個々の原子や分子が関与します。

応用例

非常に安価なリグニン、鉄、そしてやや安価なニッケルを使用して高効率・低コスト・長寿命の水素触媒を作ることは、同時に二つの方向性を開きます:

• 現在は燃焼されている炭素副産物リグニンを、緑色エネルギー触媒へと価値化すること。
• 迅速にスケールアップできる方法で水素触媒を大量生産できる可能性。

本研究で使用されたすべての方法と材料はスケールしやすいため、プラチナ族希少金属を使用せず、かつ大量生産に即座に展開できる最初の代替触媒材料になる可能性があります。

実際の環境下（湿度、温度、紫外線などの変化）で、改質リグニンの非常に長期的な安定性（連続または不規則使用で 1 年以上）を評価するためのさらなる研究が必要です。

水素生産への投資

Plug Power はグリーン水素のリーダーであり、燃料電池に注力しています。同社は 300 以上の拠点に 72,000 台以上の燃料電池を設置しており、特にフォークリフト向けに 40,000 台以上の燃料電池を供給し、2013 年以降売上は 8 倍に伸びています。

同社は水素生産、物流、ユーティリティ規模の発電、配送などの水素インフラ構築にも積極的です。

同社は水素生産コストを $10/kg から $4/kg に削減し、2027 年までに生産規模を 14 倍に拡大することを目指しています。また、外部から調達していた水素を全て自社生産に置き換える計画です。

2020 年以降、生産能力を 19 倍に増強するための巨額投資により、まだ黒字化は達成していませんが、独自水素の調達が進めば状況は変わるでしょう。

同社は自社ソリューションを直接的なモビリティ燃料、あるいは電気自動車（EV）への補完として位置付けています。水素は EV のピーク充電時の電力網への負荷を軽減でき、再生可能エネルギーの昼間の発電と時間帯が合わない問題を緩和します。

燃料電池の大手メーカーとして、Plug Power は水素経済へのシフトから大きく恩恵を受けます。より安価な燃料電池触媒が設計に組み込まれれば、水素車両やグリッド規模エネルギー貯蔵の採用率が向上します。

したがって、より安価な水素製造・貯蔵・輸送・利用方法が開発されるたびに、Plug Power の株式は水素への転換に賭ける有力な銘柄となります。

(Plug Power に関する当社の投資レポートをこちらでお読みください。)

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参照研究

^{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, 記事番号: e011. 2025年11月27日. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}