Papierfabriekafval Wordt een Katalysator voor Groene Waterstof

Papierfabriekafval Omzetten in Waterstofkatalysatoren

De sleutel tot het maken van groene waterstofproductie tot een hoeksteen van onze economie is het goedkoop genoeg maken om te concurreren met fossiele brandstoffen of andere kunstmatige vloeibare brandstoffen.

Het proces moet ook zo duurzaam mogelijk zijn, want het vervangen van vervuiling door fossiele brandstoffen door een ander type vervuiling zou contraproductief zijn.

Een gebrek aan investeringen en infrastructuur is ook een probleem, iets dat megaprojecten zoals de European Hydrogen Backbone (EHB) zou moeten oplossen.

Toch is het belangrijkste probleem van waterstofproductie de katalysatoren. Lange tijd vertrouwde waterstofelektrolyse op dure katalysatoren die platina of palladium gebruikten. Omdat deze metalen zeer zeldzaam en duur zijn (zoals we uitlegden in “Investeren in Platina – De Universele Katalysator”), zijn de waterstofelektrolyseurs ook zeer duur.

Gelukkig komen er verschillende alternatieven op, bijvoorbeeld nanorods van nikkel, ijzer nanoscopische holle ballen, siliciumcarbide voor fotokatalyse, of kobalt-tungstenoxide.

Een nieuwe optie die nog duurzamer zou kunnen zijn, is voorgesteld door onderzoekers van de Shenyang Agricultural University en Guangdong University of Technology (China), waarbij afvalproducten van papierproductie worden gebruikt als katalysator.

Ze publiceerden hun bevindingen in Biochar, onder de titel “Lignine-afgeleide koolstofvezels geladen met NiO/Fe3O4 om de zuurstofontwikkelingsreactie te bevorderen”.

Zuurstofontwikkeling voor Waterstofproductie

Water, dat bestaat uit zuurstof- en waterstofatomen (H₂O), moet de zuurstofatomen omzetten in atmosferische zuurstof om bruikbare waterstof (H₂) te produceren.

Deze stap is meestal een van de moeilijkste om te ontwerpen zodat deze efficiënt gebeurt en geen elektrische energie verspilt. Het is ook het punt waar dure katalysatoren nodig zijn.

In plaats van deze katalysatoren te gebruiken, gebruikten de onderzoekers lignine, een component van hout en een bijproduct dat overblijft na de raffinage van houtpulp tot papier. Het proces extraheert cellulose, waardoor de ongewenste lignine overblijft.

De jaarlijkse productie van lignine bedraagt meer dan 70 miljoen ton. Momenteel wordt het vaak simpelweg verbrand voor energie, ondanks dat het weinig energie oplevert, alleen om het te verwijderen.

“Zuurstofontwikkeling is een van de grootste barrières voor efficiënte waterstofproductie.

Ons onderzoek toont aan dat een katalysator gemaakt van lignine, een laagwaardig bijproduct van de papier- en biorefinery‑industrieën, hoge activiteit en uitzonderlijke duurzaamheid kan leveren. Dit biedt een groenere en economischere route naar grootschalige waterstofproductie.

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

Lignine Omzetten in een Waterstofkatalysator

Koolstofvezels als Katalysatoren

In het algemeen worden koolstofstructuren beschouwd als ideaal als katalysatoren vanwege hun hoge oppervlaktes, aanpasbare porositeit, chemische inertie en uitstekende elektrische geleidbaarheid.

Maar andere materialen zoals polyacrylonitrilvezels of via CVD gegroeide koolstofvezels zijn van beperkte bruikbaarheid vanwege hoge kosten, dure productie of onvoldoende chemische eigenschappen.

De onderzoekers namen de ongewenste lignine en realiseerden zich dat de aromatische rijke structuur en complexe microscopische structuur het een veelbelovende koolstofvoorloper maken voor de fabricage van hoogpresterende poreuze koolstofmaterialen.

De wanordelijke microtextuur van lignine kan ultrafijne metaal-/metaaloxide‑nanodeeltjes verankeren. Bovendien biedt het onderling verbonden vezelnetwerk rechte elektronische snelwegen en open macroporeuze kanalen voor de stroom van elektrische stroom. Ten slotte wordt de koolstofvoetafdruk van lignine gedurende de levenscyclus geschat op < 0.5 kg CO₂ eq kg^–1, meer dan 10 keer lager dan andere tot nu toe voorgestelde koolstofgebaseerde materialen.

Ligninekatalysatoren Produceren

Lignine, polyacrylonitril (PAN) en metaalvoorlopers (Ni²⁺, Fe³⁺) werden samen opgelost in N,N-dimethylformamide (DMF) en via elektrospinnen verwerkt om uniforme voorlopervezels te vormen.

Later werd het gekarboniseerd om de uiteindelijke lignine‑afgeleide koolstofvezels te vormen met metalkatalysatoren gelijkmatig ingebed in de vezel.

Het resulterende materiaal werd geanalyseerd met transmissie‑elektronenmicroscopie, waarbij de NiO/Fe₃O₄-nanodeeltjes werden aangetoond die verankerd waren op de lignine‑afgeleide koolstofvezels.

Er werd ook een nanoschaal‑junctie tussen NiO en Fe₃O₄ waargenomen, waarvan wordt verwacht dat deze de elektronenoverdracht vergemakkelijkt en de activiteit van de zuurstofontwikkelingsreactie verhoogt.

Verdere analyse met behulp van röntgendiffractie (XRD), röntgenfoto‑elektronspectroscopie (XPS) en Raman‑spectroscopie onthult de structurele samenstelling van de katalysator, waarbij de beste omstandigheden voor de vorming van de NiO‑ en Fe₃O₄-junctie worden gevonden.

Prestaties van de Katalyse Meten

Veeg om te scrollen →

De activiteit van de zuurstofontwikkelingsreactie werd vervolgens gemeten en vergeleken met NiO- en Fe₃O₄-materiaal wanneer gescheiden.

Het toonde aan dat de chemische reacties voor waterstofproductie het sterkst zijn wanneer beide metaalcatalysatoren aanwezig zijn. Het toonde ook de langetermijnstabiliteit van de katalysator aan, met meer dan 50 uur continue werking zonder significante schade aan de katalysator.

De wetenschappers gingen vervolgens dieper in op het begrijpen van de exacte reacties, en bewezen dat de reactie een proces volgt dat bekend staat als een “adsorptie‑evolutiemechanisme (AEM) pad”, met opeenvolgende absorptie van elektronen en tijdelijk geladen vormen van zuurstof, individuele atomen en moleculen.

Toepassingen

Het gebruik van zeer goedkoop lignine, ijzer en redelijk goedkoop nikkel, om een hoogrendement, goedkope, langdurige waterstofkatalysator te creëren, opent tegelijk twee wegen:

• Valorisatie van lignine, een koolstofbijproduct dat momenteel wordt verbrand, en het in plaats daarvan omzetten in een groene energiekatalysator.
• De mogelijkheid van massaproductie van een waterstofkatalysator met een methode die snel opgeschaald kan worden.

Aangezien alle methoden en materialen die in deze studie worden gebruikt gemakkelijk op te schalen zijn, zou dit het eerste alternatieve katalysatiemateriaal voor waterstofproductie kunnen zijn dat niet alleen geen zeldzame metalen van de platina‑groep gebruikt, maar ook onmiddellijk op grote schaal kan worden ingezet voor massaproductie.

Verdere studies zijn nodig om de zeer langetermijnstabiliteit van de gemodificeerde lignine (>1 jaar continu of onregelmatig gebruik) in realistische omstandigheden te beoordelen, met veranderingen in vochtigheid, temperatuur, UV‑licht, enz., die moeten worden geëvalueerd voor de levensvatbaarheid als een industriële waterstofkatalysator.

Investeren in Waterstofproductie

Plug Power is een leider in groene waterstof, met een focus op brandstofcellen. Het bedrijf meldt meer dan 72.000 geïnstalleerde brandstofcellen op meer dan 300 locaties, met een grote aanwezigheid in materiaalbehandelingsvloten. In het bijzonder leveren hun brandstofcellen stroom aan meer dan 40.000 heftrucks, met een omzet die sinds 2013 achtvoudig is gestegen.

Het is ook actief in het bouwen van waterstofinfrastructuur, zoals waterstofproductie, logistiek, grootschalige energieopwekking en leveringen.

Het bedrijf streeft naar opschaling om de kosten van waterstofproductie te verlagen van $10/kg naar $4/kg, terwijl de productie in 2027 met 14 keer wordt vermenigvuldigd. Het moet ook al het extern verkregen waterstof vervangen, dat vaak met verlies aan klanten werd doorverkocht.

Door de enorme investeringen om de productiecapaciteit sinds 2020 met 19 keer te verhogen, is het bedrijf nog niet winstgevend, maar vooruitgang in het zelf produceren van waterstof zou dat moeten veranderen.

Het bedrijf ziet haar oplossingen als een directe mobiliteitsbrandstof of als een aanvulling op elektrische voertuigen, omdat waterstof de druk op het net tijdens pieklaadtijden van EV’s kan verminderen, die niet overeenkomt met de productieperioden van hernieuwbare energie overdag.

Als een grote producent van brandstofcellen zou Plug Power sterk profiteren van een verschuiving naar een waterstofgebaseerde economie. Een goedkopere brandstofcelkatalysator zou in haar ontwerpen kunnen worden geïntegreerd en de adoptiesnelheid van waterstofvoertuigen en grootschalige energieopslag kunnen verhogen.

Dit maakt Plug Power dus een goede aandelenkeuze om in te zetten op een algemene verschuiving naar waterstof, met een groeiende vraag naar haar brandstofcellen telkens wanneer een goedkopere methode om waterstof te produceren, op te slaan, te transporteren of te gebruiken wordt uitgevonden.

(U kunt meer lezen over Plug Power in ons speciale investeringsrapport over het bedrijf.)

Laatste Plug Power (PLUG) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Gerefereerde Studie

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. Lignine-afgeleide koolstofvezels geladen met NiO/Fe3O4 om de zuurstofontwikkelingsreactie te bevorderen. BiocharX. 1, Artikelnummer: e011. 27 november 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}