Lignin – et supergrønt brændstof til brændselsceller

Forskere fra Laboratory of Organic Electronics ved Linköpings Universitet har udviklet en brændselscelle, der bruger lignin, et billigt biprodukt fra papirfremstilling og en af ​​de mest almindelige biopolymerer.

Cirka 25 procent af et træ er lignin - en biopolymer, der limer cellulosefibrene sammen for at danne stærkt og holdbart træ. Under den kemiske fremstilling af papirmasse opløses denne lignin i enten sulfat- eller sulfitprocessen, da cellulosen er den ønskede komponent til fremstilling af papir. Lignin er billigt og let tilgængeligt. Det er en biopolymer, der består af et stort antal kulbrintekæder vævet sammen, som kan nedbrydes i en industriel proces til dets energirige bestanddele, benzendioler. En af disse, catechol udgør 7 procent af lignin. Forskere ved Organic Energy Materials Group på LiU, ledet af professor Xavier Crispin, har opdaget, at denne type molekyle er et glimrende brændstof til brug i brændselsceller.

Det brændstof, der oftest bruges i traditionelle brændselsceller, er hydrogengas, som reagerer med ilt fra luften. Den kemiske energi omdannes i brændselscellen til elektricitet, vand og varme. Imidlertid, 96 procent af den brint, der produceres på verdensplan, kommer fra ikke-bæredygtige kilder, og er ledsaget af kuldioxidudledning.

Andre brændstoffer, der bruges i brændselsceller, er ethanol og methanol, men disse producerer også kuldioxid som et biprodukt. De nødvendige elektroder for at tiltrække de flygtende elektroner er normalt lavet af platin, hvilket er både dyrt og sparsomt.

Benzenediols, imidlertid, er aromatiske molekyler, og metalelektroder kan ikke bruges i brændselsceller baseret på benzendioler, da reaktionerne er lidt mere komplekse. Forskerne bruger i stedet elektroder lavet af den populære ledende polymer PEDOT:PSS. Denne polymer har den interessante egenskab at lede elektricitet, samtidig med at der er et overskud af protoner. Det betyder, at den fungerer som både elektrode og protonleder.

"PEDOT:PSS er en perfekt katalysator for reaktionen med en benzendiol såsom catechol, "siger Xavier Crispin

Brændstoffets kemiske energi omdannes til elektricitet, uden at der dannes kuldioxid.

"Når et brændstof som ethanol bruges i en brændselscelle, folk hævder normalt, at det ikke har nogen indvirkning på klimaet, da kuldioxiden er en del af et kredsløb. Det betyder, at ethanol betragtes som et grønt brændstof. Vi kan nu fremstille elektricitet uden nogen form for udledning af kuldioxid overhovedet, hvilket gør vores brændstof supergrønt. Teknologien er også både billig og skalerbar, " siger Xavier Crispin.

Kun få forskergrupper har undersøgt PEDOT:PSS som et muligt materiale til både elektroder og katalysator.

"Der er en grundlæggende mangel på viden om PEDOT:PSS indenfor elektrokemi, " slutter Xavier Crispin, da han stolt introducerer ph.d.-studerende Canyan Che og ledende forskningsingeniør Mikhail Vagin, som udgør den gruppe, der har arbejdet med brændselscellen.

Forskerne har beregnet, at mængden af ​​elektricitet, der produceres af den nye brændselscelle, er omtrent den samme som de nuværende ethanol-baserede og methanol-baserede brændselsceller.

"En effektiv metode til at fremstille katekol ud fra lignin er allerede tilgængelig, og vi er de første i verden til at demonstrere en brændselscelle, der bruger brændstof fra dette skovbrugsråmateriale, "slutter Xavier Crispin.

Det er tilbage at forbedre og optimere funktionen.

Resultaterne er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Avancerede bæredygtige systemer .

Forskningen er udført i regi af Digital Cellulose Center, finansieret af Vinnova, og er også en del af regeringens strategiske satsning på avancerede funktionelle materialer, AFM, på LiU.