Papirfabrikkavfall blir katalysator for grønt hydrogen

Omforming av papirfabrikkavfall til hydrogenkatalysatorer

Nøkkel til at grønt hydrogenproduksjon blir en hjørnesten i vår økonomi er å gjøre det billig nok til å konkurrere med fossile brensler eller andre kunstige flytende brensler.

Prosessen må også være så bærekraftig som mulig, ettersom erstatning av fossilt forurensning med en annen type forurensning ville være kontraproduktivt.

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

Likevel er hovedproblemet med hydrogenproduksjon katalysatorene. I lang tid har hydrogen-elektrolyse avhengt av dyre katalysatorer som bruker platina eller palladium. Ettersom disse metallene er svært sjeldne og dyre (som vi forklarte i “Investering i platina – den universelle katalysatoren“), er hydrogen-elektrolytene også svært dyre.

Lykkeligvis er det flere alternativer som dukker opp, for eksempel nanostenger av nikkel, jern-nanoscopiske hulballer, silikonkarbid for fotokatalyse eller kobolt-wolframoksid.

En ny mulighet som kan være enda mer bærekraftig er blitt foreslått av forskere ved Shenyang Agricultural University og Guangdong University of Technology (Kina), som bruker avfallprodukter fra papirproduksjon som katalysator.

De publiserte sine funn i Biochar, under tittelen “Lignin-avledede karbonfiber belastet med NiO/Fe3O4 for å fremme oksygen-utviklingsreaksjon“.

Oksygen-utvikling for hydrogenproduksjon

Vann, som består av oksygen- og hydrogenatomer (H₂O), må ha oksygenatomene omgjort til atmosfærisk oksygen for å produsere brukbar hydrogen (H₂).

Dette steget er vanligvis ett av de hardeste å konstruere slik at det skjer effektivt og ikke sløser med elektrisk kraft. Det er også der dyre katalysatorer er nødvendige.

I stedet for å bruke disse katalysatorene, brukte forskerne lignin, en komponent av tre og et biprodukt som er igjen etter raffinering av trefiber til papir. Prosessen trekker ut cellulose, og lar lignin være igjen.

Årlig produksjon av lignin overstiger 70 millioner tonn. For tiden brennes det ofte bare for energi, til tross for at det produserer liten kraft, bare for å kvitte seg med det.

“Oksygen-utvikling er en av de største hindrene for effektiv hydrogenproduksjon.

Vår arbeid viser at en katalysator laget av lignin, et lavverdiig biprodukt av papir- og biorefineri-industrien, kan levere høy aktivitet og unik holdbarhet. Dette gir en grønnere og mer økonomisk vei til stor skala hydrogen-generering.”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

Lage lignin til en hydrogenkatalysator

Karbonfiber som katalysatorer

Generelt anses karbonskjeletter som ideelle som katalysatorer på grunn av deres høye overflateareal, tilpassbar porøsitet, kjemisk likegyldighet og utmerket elektrisk ledningsevne.

Men andre materialer som polyakrylonitril-fiber eller CVD-dyrket karbonfiber er av begrenset nytte på grunn av høye kostnader, dyrt håndtering eller utilstrekkelige kjemiske egenskaper.

Forskerne tok det uønskede lignin og innsett at dens aromatisk-rike struktur og komplekse mikroskopi-struktur gjør det til et løftende karbon-pregenerator for fremstilling av høy-ytelses porøse karbonmaterialer.

Ligninets uordenlige mikrotekstur kan ankre ultrafine metall/metaloksid-partikler. I tillegg tilbyr dens sammenhengende fiber-nettverk rette elektroniske motorveier og åpne makro-porøse kanaler for elektrisk strøm til å flyte i. Til slutt er ligninets livssyklus-karbonavtrykk estimert til å være < 0,5 kg CO₂ ekv kg^–1, mer enn 10 ganger lavere enn andre karbon-baserte materialer foreslått hittil.

Produksjon av lignin-katalysatorer

Lignin, polyakrylonitril (PAN) og metall-forløpere (Ni²⁺, Fe³⁺) ble ko-løst i N,N-dimetylformamid (DMF) og prosessert via elektrospinning for å danne enhetlige forløper-fiber.

Det ble senere karbonisert for å danne den endelige lignin-avledede karbonfiber med metall-katalysatorer jevnt innlejret i fiberen.

Materialet ble analysert under transmisjonselektronmikroskopi, og avslørte NiO/Fe₃O₄-nanopartikler ankret til lignin-avledede karbonfiber.

En nanoskala-forbindelse mellom NiO og Fe₃O₄ ble også observert, og forventes å fasilitere elektronoverføring og øke oksygen-utviklingsreaksjonsaktivitet.

Ytterligere analyse ved hjelp av røntgen-diffraksjon (XRD), røntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS) og Raman-spektroskopi avslører den strukturelle sammensetningen av katalysatoren, og finner de beste betingelsene for dannelse av NiO og Fe₃O₄-forbindelsen.

Måling av katalyse-prestasjon

Swipe to scroll →

Oksygen-utviklingsreaksjonsaktiviteten ble målt og sammenlignet med NiO og Fe₃O₄-materiale når de var adskilt.

Det viste at de kjemiske reaksjonene for hydrogenproduksjon er sterkest når begge metall-katalysatorene er til stede. Det viste også den langvarige stabiliteten til katalysatoren, med over 50 timers kontinuerlig drift uten noen betydelig skade på katalysatoren.

Forskerne gikk så dyptere inn i å forstå nøyaktig hva slags reaksjoner som skjer, og beviste at reaksjonen følger en prosess kjent som en “adsorpsjons-utviklingsmekanisme (AEM)-vei”, med påfølgende absorpsjon av elektroner og midlertidige ladde former av oksygen, enkeltatomer og molekyler.

Anvendelser

Bruken av svært billig lignin, jern og noe billig nikkel for å skape en høy-effisiens, lavkostnad, langvarig hydrogenkatalysator åpner vei for to ting samtidig:

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

Ettersom alle metoder og materialer brukt i denne studien er enkle å skalerer, kan dette være den første alternative katalysatormaterialet for hydrogenproduksjon som ikke bare ikke bruker sjeldne metaller fra platina-gruppen, men også kan deployeres umiddelbart i stor skala for masseproduksjon.

Ytterligere studier vil være nødvendige for å vurdere den svært langvarige stabiliteten til den modifiserte lignin (>1 år med kontinuerlig eller uregelmessig bruk) i virkelige forhold, med endringer i fuktighet, temperatur, UV-lys osv, som må vurderes for dens levedyktighet som en industriell-skala hydrogenkatalysator.

Investering i hydrogenproduksjon

Plug Power Inc.

Plug Power er en ledende aktør i grønt hydrogen, med fokus på brenselceller. Selskapet rapporterer 72 000+ brenselceller installert på over 300 lokasjoner, med en stor fotavtrykk i materialhåndtering-flåter. Spesielt driver det brenselceller som gir kraft til over 40 000 gaffeltruck, med økte inntekter på x8 siden 2013.

Det er også aktivt i bygging av hydrogen-infrastruktur, som hydrogenproduksjon, logistikk, stor-skala kraftgenerering og leveranser.

Selskapet har som mål å nå skala for å redusere hydrogenproduksjonskostnader fra $10/kg til $4/kg, mens det øker produksjonen med 14 ganger i 2027. Det skal også erstatte all eksternt kilde-hydrogen, som ofte ble solgt til kunder med tap.

På grunn av de massive investeringene for å øke produksjonskapasiteten 19 ganger siden 2020, er selskapet ikke lønnsomt ennå, men fremgang i å kilde sin egen hydrogen skal endre dette.

Selskapet ser på sine løsninger som enten en direkte mobilitetsbrensel eller en komplementær til EV, ettersom hydrogen tillater reduksjon av trykket på nettet under EVs topp-ladetid, som ikke matcher periodene med produksjon av fornybar energi om dagen.

Som en stor produsent av brenselceller, ville Plug Power være svært godt tjent med en skifte mot en hydrogen-basert økonomi. En billigere brenselcelle-katalysator kunne integreres i sine design, og øke adopsjonsraten av hydrogen-kjøretøy og nett-skala energilagring.

Så dette gjør Plug Power til et godt aksje å satse på en vending mot hydrogen generelt, med en vekst i etterspørsel etter sine brenselceller hver gang en billigere metode for å produsere, lagre, transportere eller bruke hydrogen blir funnet.

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

Siste Plug Power (PLUG) aksje-nyheter og utviklinger

Studie referert

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. Lignin-avledede karbonfiber belastet med NiO/Fe3O4 for å fremme oksygen-utviklingsreaksjon. BiocharX. 1, Artikkelnummer: e011. 27. november 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}