Resíduos de Fábrica de Papel se Tornam um Catalisador para Hidrogênio Verde

Transformando Resíduos de Fábrica de Papel em Catalisadores de Hidrogênio

A chave para que a produção de hidrogênio verde se torne um alicerce de nossa economia é torná-la barata o suficiente para competir com combustíveis fósseis ou outros combustíveis líquidos artificiais.

O processo também precisa ser o mais sustentável possível, pois substituir a poluição dos combustíveis fósseis por outro tipo de poluição seria contraproducente.

A falta de investimento e infraestrutura também tem sido um problema, algo que megaprojetos como o European Hydrogen Backbone (EHB) deveriam resolver.

Ainda assim, o principal problema da produção de hidrogênio são seus catalisadores. Por muito tempo, a eletrólise do hidrogênio dependia de catalisadores caros que utilizavam platina ou paládio. Como esses metais são muito raros e caros (como explicamos em “Investindo em Platina – O Catalisador Universal”), os eletrólitos de hidrogênio também são muito caros.

Felizmente, uma série de alternativas está surgindo, por exemplo, nanorods de níquel, bolas ocas nanoscópicas de ferro, carbeto de silício para fotocatálise, ou óxido de cobalto e tungstênio.

Uma nova opção que pode ser ainda mais sustentável foi proposta por pesquisadores da Shenyang Agricultural University e da Guangdong University of Technology (China), usando resíduos da produção de papel como catalisador.

Eles publicaram suas descobertas na Biochar, sob o título “Fibras de carbono derivadas de lignina carregadas com NiO/Fe3O4 para promover a reação de evolução de oxigênio”.

Evolução de Oxigênio para Produção de Hidrogênio

A água, composta por átomos de oxigênio e hidrogênio (H₂O), precisa que os átomos de oxigênio sejam transformados em oxigênio atmosférico para produzir hidrogênio utilizável (H₂).

Esta etapa costuma ser uma das mais difíceis de projetar para que ocorra de forma eficiente e não desperdice energia elétrica. Também é onde catalisadores caros são necessários.

Em vez de usar esses catalisadores, os pesquisadores usaram lignina, um componente da madeira e subproduto resultante do refino da polpa de madeira em papel. O processo extrai celulose, deixando a lignina indesejada.

A produção anual de lignina ultrapassa 70 milhões de toneladas. Atualmente, ela costuma ser simplesmente queimada para energia, apesar de gerar pouca energia, apenas para se desfazer dela.

“A evolução de oxigênio é uma das maiores barreiras para a produção eficiente de hidrogênio.

Nosso trabalho demonstra que um catalisador feito a partir de lignina, um subproduto de baixo valor das indústrias de papel e biorrefinaria, pode oferecer alta atividade e durabilidade excepcional. Isso fornece uma rota mais verde e econômica para a geração de hidrogênio em larga escala.”

— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology

Transformando Lignina em um Catalisador de Hidrogênio

Fibras de Carbono como Catalisadores

Em geral, estruturas de carbono são consideradas ideais como catalisadores devido à sua alta área de superfície, porosidade ajustável, inércia química e excelente condutividade elétrica.

Mas outros materiais como fibras de poliacrilonitrila ou fibras de carbono produzidas por CVD têm uso limitado devido a altos custos, fabricação cara ou características químicas insuficientes.

Os pesquisadores pegaram a lignina indesejada e perceberam que sua estrutura rica em aromáticos e sua complexa microestrutura a tornam um promissor precursor de carbono para a fabricação de materiais de carbono poroso de alto desempenho.

Lignina tem microtextura desordenada que pode ancorar nanopartículas ultrafinas de metal/óxido de metal. Além disso, sua rede de fibras interconectadas oferece vias eletrônicas diretas e canais macroporosos abertos para o fluxo de corrente elétrica. Por fim, a pegada de carbono do ciclo de vida da lignina é estimada em < 0.5 kg CO₂ eq kg^–1, mais de 10 vezes menor que outros materiais à base de carbono propostos até agora.

Produzindo Catalisadores de Lignina

Lignina, poliacrilonitrila (PAN) e precursores metálicos (Ni²⁺, Fe³⁺) foram co-dissolvidos em N,N-dimetilformamida (DMF) e processados por eletrofiação para formar fibras precursoras uniformes.

Posteriormente, foi carbonizada para formar as fibras de carbono derivadas de lignina com catalisadores metálicos uniformemente incorporados na fibra.

O material resultante foi analisado por microscopia eletrônica de transmissão, revelando as nanopartículas NiO/Fe₃O₄ ancoradas nas fibras de carbono derivadas de lignina.

Uma junção em escala nanométrica entre NiO e Fe₃O₄ também foi observada, e espera-se que facilite a transferência de elétrons e aumente a atividade da reação de evolução de oxigênio.

Análises adicionais usando difração de raios X (XRD), espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS) e espectroscopia Raman revelam a composição estrutural do catalisador, encontrando as melhores condições para a formação da junção NiO e Fe₃O₄.

Medindo o Desempenho da Catalisação

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A atividade da reação de evolução de oxigênio foi então medida e comparada ao material NiO e Fe₃O₄ quando separados.

Demonstrou que as reações químicas para produção de hidrogênio são mais fortes quando ambos os catalisadores metálicos estão presentes. Também demonstrou a estabilidade a longo prazo do catalisador, com mais de 50 horas de operação contínua sem danos significativos ao catalisador.

Os cientistas então aprofundaram a investigação, tentando entender exatamente quais reações estão ocorrendo, provando que a reação segue um processo conhecido como “mecanismo de adsorção-evolução (AEM)”, com absorção sucessiva de elétrons e formas temporárias carregadas de oxigênio, átomos individuais e moléculas.

Aplicações

O uso de lignina muito barata, ferro e níquel relativamente barato, para criar um catalisador de hidrogênio de alta eficiência, baixo custo e longa durabilidade está abrindo caminho para duas coisas ao mesmo tempo:

• Valorização da lignina, um subproduto de carbono que, por enquanto, é queimado, transformando-o em um catalisador de energia verde.
• A possibilidade de produção em massa de um catalisador de hidrogênio com um método que pode ser rapidamente escalado.

Como todos os métodos e materiais usados neste estudo são fáceis de escalar, este pode ser o primeiro material catalisador alternativo para produção de hidrogênio que não só não utiliza metais raros do grupo da platina, mas também pode ser imediatamente implantado em escala para produção em massa.

Estudos adicionais serão necessários para avaliar a estabilidade a muito longo prazo da lignina modificada (>1 ano de uso contínuo ou irregular) em condições reais, com variações de umidade, temperatura, luz UV, etc., precisando ser avaliadas para sua viabilidade como catalisador de hidrogênio em escala industrial.

Investindo na Produção de Hidrogênio

Plug Power é líder em hidrogênio verde, com foco em células de combustível. A empresa relata mais de 72.000 células de combustível instaladas em mais de 300 locais, com grande presença em frotas de manuseio de materiais. Em particular, suas células de combustível alimentam mais de 40.000 empilhadeiras, com receitas multiplicadas por 8 desde 2013.

Também está ativa na construção de infraestrutura de hidrogênio, como produção de hidrogênio, logística, geração de energia em escala utilitária e entregas.

A empresa está buscando escala para reduzir os custos de produção de hidrogênio de $10/kg para $4/kg, enquanto multiplica a produção em 14 vezes até 2027. Também deve substituir todo o hidrogênio de origem externa, que frequentemente era revendido aos clientes com prejuízo.

Devido aos enormes investimentos para aumentar a capacidade de produção em 19 vezes desde 2020, a empresa ainda não é lucrativa, mas o progresso na obtenção de seu próprio hidrogênio deve mudar isso.

A empresa vê suas soluções como um combustível de mobilidade direto ou como complemento aos veículos elétricos, já que o hidrogênio permite reduzir a pressão na rede durante o pico de carregamento dos EVs, que não coincide com os períodos de produção de renováveis durante o dia.

Como grande produtora de células de combustível, a Plug Power se beneficiaria enormemente de uma mudança para uma economia baseada em hidrogênio. Um catalisador de célula de combustível mais barato poderia ser integrado aos seus projetos, impulsionando a taxa de adoção de veículos a hidrogênio e armazenamento de energia em escala de rede.

Portanto, isso faz da Plug Power uma boa ação para apostar na transição para o hidrogênio em geral, com crescimento na demanda por suas células de combustível a cada nova invenção de método mais barato para produzir, armazenar, transportar ou utilizar hidrogênio.

(Você pode ler mais sobre a Plug Power em nosso relatório de investimento dedicado à empresa.)

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Plug Power (PLUG)

Estudo Referenciado

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. Fibras de carbono derivadas de lignina carregadas com NiO/Fe3O4 para promover a reação de evolução de oxigênio. BiocharX. 1, Número do artigo: e011. 27 de novembro de 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}