Forskare med koppling till Shenyang Agricultural University har utvecklat en ny katalysator för vätgasproduktion baserad på lignin, en restprodukt från pappers- och bioraffinaderiindustrin. Enligt forskargruppen kan materialet på sikt bli ett billigare alternativ till dagens katalysatorer, som ofta bygger på dyra och sällsynta metaller.
Studien, som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Biochar X, beskriver hur nickeloxid- och järnoxidnanopartiklar bäddas in i kolfibrer framställda av lignin. Konstruktionen ska enligt forskarna förbättra både effektivitet och livslängd i den så kallade syrgasutvecklingsreaktionen, OER, som är en central men energikrävande del av vattenelektrolys.
Fokus på syrgasreaktionen
Syrgasutvecklingen betraktas allmänt som en flaskhals i vätgasproduktion via elektrolys, eftersom reaktionen kräver höga spänningar och leder till energiförluster. Forskarna uppger att deras katalysator når ett överspänningsbehov på 250 millivolt vid en strömtäthet på 10 milliampere per kvadratcentimeter och att stabil drift har uppnåtts i över 50 timmar vid högre belastning.
– Syrgasutvecklingen är ett av de största hindren för effektiv vätgasproduktion. Vårt arbete visar att en katalysator baserad på lignin, en lågförädlad biprodukt från pappers- och bioraffinaderiindustrin, kan uppvisa både hög aktivitet och god hållbarhet, säger studiens huvudförfattare Yanlin Qin från Guangdong University of Technology i ett uttalande.
Forskarna framhåller resultaten som ett potentiellt lågkostnadsalternativ till katalysatorer baserade på ädelmetaller. Samtidigt rör det sig om laboratorietester under kontrollerade förhållanden, långt ifrån den kontinuerliga drift som krävs i industriella elektrolysanläggningar.
Nanostruktur i centrum
I studien beskrivs hur lignin omvandlas till kolfibrer genom elektrospinning och värmebehandling. Dessa fungerar som både elektriskt ledande struktur och mekaniskt stöd för metalloxiderna. Den färdiga katalysatorn, som forskarna benämner NiO/Fe₃O₄@LCFs, innehåller kvävedopade kolfibrer med stor aktiv yta.
Avancerad mikroskopi visar att nickel- och järnoxiderna bildar en nanoskala-gränsyta inne i kolfibrerna. Enligt forskargruppen bidrar denna struktur till att reaktionsmellanprodukter binds och släpper i rätt takt, vilket förbättrar reaktionskinetiken. Resultaten stöds även av beräkningar baserade på densitetsfunktionalteori och in situ-Ramanspektroskopi.
Elektrokemiska tester visar att katalysatorn presterar bättre än motsvarande material med endast en av metallerna, särskilt vid högre strömtätheter. Den uppmätta Tafel-lutningen på 138 millivolt per dekad tolkas som ett tecken på snabbare reaktionsförlopp.
Skalbarhet fortfarande oklar
Forskarna betonar att tillgången på lignin är mycket stor globalt, vilket i teorin kan göra tekniken skalbar.
– Eftersom lignin produceras i mycket stora mängder erbjuder detta en realistisk väg mot mer hållbara vätgastekniker, säger medförfattaren Xueqing Qiu.
Trots detta kvarstår flera frågor. Vätgasproduktion via elektrolys är redan i dag starkt beroende av billig och stabil elförsörjning, och katalysatorns kostnad är endast en del av den totala systemekonomin. Dessutom saknas ännu data för långtidsdrift över tusentals timmar, vilket är ett grundkrav för kommersiell användning.
Studien illustrerar samtidigt en bredare trend inom energiforskningen, där biomassebaserade material kombineras med metalloxider för att minska beroendet av dyra insatsvaror. Om dessa lösningar kan ta steget från laboratoriet till industriell skala återstår dock att visa.
Källa: Shenyang Agricultural University, Biochar X.
