Residuos de fábricas de papel podrían generar energía limpia más económica

Investigadores de la Universidad Agrícola de Shenyang desarrollaron un innovador catalizador para la producción de hidrógeno, utilizando lignina, un subproducto común de la industria papelera y de biorefinería. Este nuevo material, que combina nanopartículas de óxido de níquel y óxido de hierro en fibras de carbono, mostró un rendimiento notable en la reacción de evolución de oxígeno, un proceso clave en la electrólisis del agua.

El estudio, publicado en Biochar X, reveló que el catalizador alcanza un bajo sobrepotencial de 250 mV a 10 mA cm² y mantiene una estabilidad excepcional durante más de 50 horas bajo condiciones de alta densidad de corriente. Estos niveles de rendimiento sugieren que este nuevo enfoque podría ser una alternativa viable y de bajo costo a los catalizadores de metales preciosos que se utilizan comúnmente en la división del agua a gran escala.

El autor principal, Yanlin Qin, de la Universidad de Tecnología de Guangdong, destacó: "La evolución de oxígeno es uno de los mayores obstáculos para la producción eficiente de hidrógeno. Nuestro trabajo demuestra que un catalizador hecho de lignina, un subproducto de bajo valor de las industrias papelera y de biorefinería, puede ofrecer alta actividad y durabilidad excepcional. Esto proporciona una ruta más ecológica y económica hacia la generación de hidrógeno a gran escala".

Transformación de la lignina en un marco de carbono funcional

La lignina es uno de los polímeros naturales más abundantes, pero a menudo se quema para obtener una mínima energía. En este trabajo, el equipo convirtió la lignina en fibras de carbono mediante un proceso de electrohilado y tratamiento térmico. Estas fibras actúan como un marco conductor y de soporte para las partículas de óxido metálico. El catalizador resultante, conocido como NiO/Fe3O4@LCFs, contiene fibras de carbono dopadas con nitrógeno que ofrecen un rápido transporte de carga, alta área superficial y gran estabilidad estructural.

Las técnicas de microscopía revelaron que los óxidos de níquel y hierro forman una heterounión a escala nanométrica dentro de la estructura de las fibras de carbono. Esta interfaz desempeña un papel central en la reacción de evolución de oxígeno, ayudando a que las moléculas intermedias se unan y se desprendan a tasas óptimas. La combinación de estos óxidos metálicos con una red de carbono conductora mejora el movimiento de electrones y evita que las partículas se aglomeren, un problema frecuente en los catalizadores de metales base convencionales.

Actividad verificada a través de pruebas avanzadas

Las mediciones electroquímicas mostraron que el material supera el rendimiento de los catalizadores que contienen solo un metal, especialmente bajo las condiciones de alta corriente necesarias para los sistemas de electrólisis en el mundo real. El catalizador también exhibe una pendiente de Tafel de 138 mV por década, lo que indica una cinética de reacción más rápida. Evidencias adicionales de espectroscopía Raman in situ y cálculos de teoría funcional de densidad respaldan el mecanismo propuesto, confirmando que la interfaz diseñada impulsa eficientemente la evolución de oxígeno.

Diseño escalable utilizando biomasa ampliamente disponible

La coautora Xueqing Qiu comentó: "Nuestro objetivo era desarrollar un catalizador que no solo funcione bien, sino que también sea escalable y esté basado en materiales sostenibles. Dado que la lignina se produce en grandes cantidades en todo el mundo, este enfoque ofrece un camino realista hacia tecnologías de producción de hidrógeno industrial más ecológicas".

Los hallazgos subrayan el creciente valor de los materiales derivados de biomasa en aplicaciones de conversión de energía. La combinación de soportes de carbono renovables con interfaces de óxido metálico cuidadosamente diseñadas se alinea con los esfuerzos globales para crear tecnologías de energía limpia de bajo costo y respetuosas con el medio ambiente. Los investigadores señalaron que este método podría adaptarse a diferentes combinaciones de metales y reacciones catalíticas, abriendo nuevas oportunidades para diseñar electrocatalizadores de próxima generación basados en recursos naturales abundantes.

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