Papirmølleavfall blir en katalysator for grønn hydrogen

Omforming av papirmølleavfall til hydrogenkatalysatorer

Nøkkelen til at grønt hydrogen kan bli en bærebjelke i økonomien, er å gjøre produksjonen billig nok til å konkurrere med fossilt brensel og andre syntetiske flytende drivstoff.

Prosessen må også være så bærekraftig som mulig, siden det å erstatte forurensning fra fossilt brensel med en annen type forurensning vil være kontraproduktivt.

En mangel på investeringer og infrastruktur har også vært et problem, noe som megaprojekter som European Hydrogen Backbone (EHB) bør løse.

Hovedproblemet ved hydrogenproduksjon er likevel katalysatorene. Elektrolyse har lenge vært avhengig av kostbare katalysatorer med platina eller palladium. Siden disse metallene er svært sjeldne og dyre, som forklart i «Investering i platina – den universelle katalysatoren», blir også hydrogenelektrolysørene svært kostbare.

Heldigvis kommer det stadig flere alternativer, blant annet nanostaver av nikkel, hule jernkuler i nanostørrelse, silisiumkarbid til fotokatalyse og kobolt–wolframoksid.

Et nytt alternativ som kan være enda mer bærekraftig, er blitt foreslått av forskere ved Shenyang Agricultural University og Guangdong University of Technology (Kina), som bruker avfallsprodukter fra papirproduksjon som katalysator.

Forskerne publiserte funnene i Biochar under tittelen «Ligninbaserte karbonfibre tilsatt NiO/Fe3O4 for å fremme oksygenutviklingsreaksjonen».

Oksygenutvikling for hydrogenproduksjon

Vann består av oksygen- og hydrogenatomer (H₂O). For å produsere brukbart hydrogen (H₂) må oksygenatomene omdannes til oksygengass.

Dette trinnet er vanligvis et av de vanskeligste å konstruere slik at det skjer effektivt uten å sløse med elektrisk energi. Det er også her de dyre katalysatorene trengs.

I stedet for slike katalysatorer brukte forskerne lignin, en bestanddel i trevirke og et biprodukt fra foredling av tremasse til papir. Prosessen trekker ut cellulose og etterlater ligninet som ellers ikke er ønsket.

Den årlige ligninproduksjonen overstiger 70 millioner tonn. I dag brennes materialet ofte bare for å bli kvitt det, til tross for at det gir lite energi.

«Oksygenutvikling er en av de største hindringene for effektiv hydrogenproduksjon.

Arbeidet vårt viser at en katalysator laget av lignin, et biprodukt med lav verdi fra papir- og bioraffineriindustrien, kan gi høy aktivitet og enestående holdbarhet. Dette gir en grønnere og mer økonomisk vei til hydrogenproduksjon i stor skala.»

— Yanlin Qin, Guangdong teknologiske universitet

Lage lignin til en hydrogenkatalysator

Karbonfibre som katalysatorer

Generelt regnes karbonstrukturer som ideelle katalysatorer på grunn av stor overflate, justerbar porøsitet, kjemisk treghet og svært god elektrisk ledningsevne.

Andre materialer, som polyakrylnitrilfibre eller CVD-dyrkede karbonfibre, har begrenset nytte på grunn av høye kostnader, dyr produksjon eller utilstrekkelige kjemiske egenskaper.

Forskerne innså at ligninets aromatrike oppbygning og komplekse mikrostruktur gjør det til en lovende karbonforløper for fremstilling av høytytende porøse karbonmaterialer.

Ligninets uordnede mikrotekstur kan forankre ultrafine nanopartikler av metall eller metalloksid. Det sammenkoblede fibernettverket gir dessuten direkte elektronbaner og åpne makroporøse kanaler for elektrisk strøm. Ligninets karbonavtrykk gjennom livsløpet er anslått til under 0,5 kg CO₂-ekvivalenter per kg, mer enn ti ganger lavere enn for andre foreslåtte karbonmaterialer.

Produksjon av ligninkatalysatorer

Lignin, polyakrylnitril (PAN) og metallforløpere (Ni²⁺, Fe³⁺) ble løst opp sammen i N,N-dimetylformamid (DMF) og behandlet med elektrospinning for å danne ensartede forløperfibre.

Materialet ble deretter karbonisert til ferdige ligninbaserte karbonfibre med metallkatalysatorene jevnt innleiret i fibrene.

Det ferdige materialet ble undersøkt med transmisjonselektronmikroskopi, som viste nanopartikler av NiO/Fe₃O₄ forankret på de ligninbaserte karbonfibrene.

Det ble også observert en sammenføyning i nanoskala mellom NiO og Fe₃O₄. Den ventes å lette elektronoverføringen og øke aktiviteten i oksygenutviklingsreaksjonen.

Videre analyser med røntgendiffraksjon (XRD), røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og Raman-spektroskopi avdekket katalysatorens strukturelle sammensetning og de beste betingelsene for å danne sammenføyningen mellom NiO og Fe₃O₄.

Måling av katalyseytelse

Sveip for å rulle →

Aktiviteten i oksygenutviklingsreaksjonen ble deretter målt og sammenlignet med NiO og Fe₃O₄ brukt hver for seg.

Resultatene viste at de kjemiske reaksjonene for hydrogenproduksjon er sterkest når begge metallkatalysatorene er til stede. Katalysatoren viste også god langtidsstabilitet: mer enn 50 timers kontinuerlig drift ga ingen vesentlig skade.

Forskerne gikk deretter dypere inn i hvilke reaksjoner som faktisk finner sted. De påviste at reaksjonen følger en såkalt adsorpsjons–evolusjonsmekanisme (AEM), med trinnvis opptak av elektroner og midlertidige ladde former av oksygen som enkeltatomer og molekyler.

Applikasjoner

Bruken av svært billig lignin og jern samt forholdsvis rimelig nikkel til å lage en effektiv, rimelig og holdbar hydrogenkatalysator åpner to muligheter samtidig:

• Verdiskapning av lignin, et karbonbiprodukt som for tiden brennes, og gjør det om til en grønn energikatalysator i stedet.
• Muligheten for masseproduksjon av en hydrogenkatalysator med en metode som raskt kan skaleres.

Ettersom alle metodene og materialene i studien er enkle å skalere, kan dette bli det første alternative katalysatormaterialet for hydrogenproduksjon som både unngår sjeldne metaller fra platinagruppen og raskt kan tas i bruk i masseproduksjon.

Det trengs flere studier for å vurdere den svært langsiktige stabiliteten til det modifiserte ligninet, over ett år ved kontinuerlig eller uregelmessig bruk, under virkelige forhold. Endringer i fuktighet, temperatur og UV-lys må undersøkes før materialet kan vurderes som en industriell hydrogenkatalysator.

Investering i hydrogenproduksjon

Plug Power er en leder innen grønn hydrogen, med fokus på brenselceller. Selskapet rapporterer over 72 000 installerte brenselceller på mer enn 300 lokasjoner, med en stor tilstedeværelse i materialhåndteringsflåter. Spesielt driver brenselcellene over 40 000 gaffeltrucker, med inntekter opp 8‑fold siden 2013.

Selskapet bygger også hydrogeninfrastruktur, blant annet produksjon, logistikk, kraftproduksjon i forsyningsskala og levering av hydrogen.

Selskapet vil oppnå stordriftsfordeler for å redusere produksjonskostnaden for hydrogen fra 10 til 4 dollar per kg, samtidig som produksjonen skal fjortendobles innen 2027. Det vil også erstatte alt eksternt innkjøpt hydrogen, som ofte ble solgt videre til kundene med tap.

Etter store investeringer som har økt produksjonskapasiteten nitten ganger siden 2020, er selskapet ennå ikke lønnsomt. Fremgangen i egen hydrogenproduksjon bør imidlertid kunne endre dette.

Selskapet ser løsningene sine både som et direkte drivstoff for transport og som et supplement til elbiler. Hydrogen kan avlaste strømnettet når ladingen av elbiler topper seg, et tidspunkt som ikke nødvendigvis sammenfaller med produksjonstoppen for fornybar energi på dagtid.

Som en stor produsent av brenselceller vil Plug Power kunne dra betydelig nytte av en overgang til en hydrogenbasert økonomi. En rimeligere katalysator kan integreres i selskapets løsninger og øke utbredelsen av hydrogenkjøretøy og energilagring i nettskala.

Plug Power kan derfor være en interessant aksje for investorer som tror på en generell overgang til hydrogen. Etterspørselen etter selskapets brenselceller kan øke hver gang det utvikles en rimeligere metode for å produsere, lagre, transportere eller bruke hydrogen.

(Du kan lese mer om Plug Power i vår egen investeringsrapport om selskapet.)

Siste nyheter og utviklinger for Plug Power (PLUG)-aksjen

Referert studie

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin og Xueqing Qiu. Ligninbaserte karbonfibre tilsatt NiO/Fe3O4 for å fremme oksygenutviklingsreaksjonen. BiocharX. 1, artikkelnummer e011. 27. november 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}