Учёные разработали новый катализатор для производства водорода, созданный из лигнина — побочного продукта целлюлозно-бумажной промышленности, который обычно просто сжигают. Этот материал, состоящий из наночастиц оксида никеля и железа, внедрённых в углеродные волокна, демонстрирует высокую эффективность в ключевой реакции выделения кислорода при электролизе воды. Исследование предлагает многообещающую альтернативу дорогостоящим катализаторам на основе драгоценных металлов, таким как иридий и рутений.
Технология создания катализатора включает преобразование лигнина в углеродные волокна с помощью электроспиннинга и термической обработки. Эти волокна служат проводящей и прочной основой для наночастиц металлов. Полученная структура, названная NiO/Fe3O4@LCFs, обеспечивает быстрый перенос заряда, большую площадь поверхности и исключительную стабильность, предотвращая слипание активных частиц во время работы.
Эксперименты показали, что новый катализатор достигает низкого перенапряжения в 250 мВ при плотности тока 10 мА/см² и сохраняет стабильность более 50 часов даже в условиях высокой нагрузки. Его производительность превосходит катализаторы, содержащие только один металл, что особенно важно для реальных промышленных систем электролиза. Эти результаты подтверждены данными спектроскопии и теоретическими расчётами.
Использование лигнина, доступного в огромных количествах по всему миру, делает подход не только высокоэффективным, но и экономически выгодным и экологически устойчивым. При этом лигнин — не единственный вид промышленных отходов, исследуемый в качестве сырья для водородной энергетики. Учёные также активно изучают потенциал пластиковых отходов для получения углеродных наноматериалов, отработанных автомобильных шин как источника углерода для электродов, сельскохозяйственных отходов вроде скорлупы орехов и шелухи злаков для создания пористых углеродных материалов, а также шламов от очистки сточных вод, которые могут содержать ценные металлы.
Как отметили авторы из Guangdong University of Technology, эта работа предоставляет более «зелёный» и экономичный путь к крупномасштабному производству водорода, превращая низкоценные отходы в ценный ресурс для чистой энергетики. В настоящее время основными промышленными методами производства водорода остаются паровая конверсия метана (около 48% мирового производства) и газификация угля (около 18%). Доля «зелёного» водорода, получаемого электролизом с использованием возобновляемой электроэнергии, по данным Международного энергетического агентства на 2023 год, пока составляет менее 1% от общего объёма, однако этот сегмент демонстрирует быстрый рост.
Данное исследование подчёркивает растущую роль материалов на основе биомассы и других отходов в энергетических технологиях. Разработка открывает новые возможности для создания следующего поколения электрокатализаторов из широкодоступных природных ресурсов и вторичного сырья, внося вклад в глобальные усилия по созданию доступных и экологически чистых решений для энергетического перехода.
Источник: Paper mill waste could unlock cheaper clean energy