Onderzoekers van het Laboratorium voor Organische Elektronica van de Universiteit van Linköping hebben een brandstofcel ontwikkeld die gebruik maakt van lignine, een goedkoop bijproduct van de papierfabricage en een van de meest voorkomende biopolymeren.

Ongeveer 25 procent van een boom is lignine - een biopolymeer dat de cellulosevezels aan elkaar lijmt om sterk en duurzaam hout te vormen. Tijdens de chemische productie van papierpulp wordt deze lignine opgelost in het sulfaat- of sulfietproces, aangezien de cellulose het gewenste bestanddeel is voor het maken van papier. Lignine is goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar. Het is een biopolymeer dat bestaat uit een groot aantal met elkaar verweven koolwaterstofketens, die in een industrieel proces kan worden afgebroken tot zijn energierijke samenstellende delen, benzeendiolen. Een van deze, catechol maakt 7 procent uit van lignine. Onderzoekers van de Organic Energy Materials-groep bij LiU, onder leiding van professor Xavier Crispin, hebben ontdekt dat dit type molecuul een uitstekende brandstof is voor gebruik in brandstofcellen.

De brandstof die het meest wordt gebruikt in traditionele brandstofcellen is waterstofgas, die reageert met zuurstof uit de lucht. De chemische energie wordt in de brandstofcel omgezet in elektriciteit, water en warmte. Echter, 96 procent van de wereldwijd geproduceerde waterstof is afkomstig uit niet-duurzame bronnen, en gaat gepaard met de uitstoot van kooldioxide.

Andere brandstoffen die in brandstofcellen worden gebruikt, zijn ethanol en methanol, maar deze produceren ook koolstofdioxide als bijproduct. De elektroden die nodig zijn om de vluchtende elektronen aan te trekken, zijn meestal gemaakt van platina, wat zowel duur als schaars is.

benzeendiolen, echter, zijn aromatische moleculen, en metaalelektroden kunnen niet worden gebruikt in brandstofcellen op basis van benzeendiolen, omdat de reacties iets complexer zijn. De onderzoekers gebruiken in plaats daarvan elektroden gemaakt van het populaire geleidende polymeer PEDOT:PSS. Dit polymeer heeft de interessante eigenschap elektriciteit te geleiden, terwijl ze tegelijkertijd een overschot aan protonen hebben. Dit betekent dat het zowel als elektrode als protonengeleider fungeert.

"PEDOT:PSS is een perfecte katalysator voor de reactie met een benzeendiol zoals catechol, " zegt Xavier Crispin

De chemische energie van de brandstof wordt omgezet in elektriciteit zonder dat er kooldioxide wordt gevormd.

"Als een brandstof zoals ethanol wordt gebruikt in een brandstofcel, mensen beweren meestal dat het geen invloed heeft op het klimaat, aangezien de kooldioxide een bestanddeel is van een circulatie. Dit betekent dat ethanol wordt beschouwd als een groene brandstof. We kunnen nu elektriciteit produceren zonder enige uitstoot van kooldioxide, wat onze brandstof supergroen maakt. De technologie is ook zowel goedkoop als schaalbaar, ' zegt Xavier Crispin.

Slechts enkele onderzoeksgroepen hebben PEDOT:PSS onderzocht als een mogelijk materiaal voor zowel elektroden als katalysator.

"Er is een fundamenteel gebrek aan kennis over PEDOT:PSS binnen de elektrochemie, " besluit Xavier Crispin, terwijl hij met trots doctoraatsstudent Canyan Che en hoofdonderzoeksingenieur Mikhail Vagin voorstelt, die de groep vormen die met de brandstofcel heeft gewerkt.

De onderzoekers hebben berekend dat de hoeveelheid elektriciteit die door de nieuwe brandstofcel wordt geproduceerd ongeveer gelijk is aan de huidige op ethanol gebaseerde en op methanol gebaseerde brandstofcellen.

"Er is al een efficiënte methode om catechol uit lignine te maken, en we zijn de eerste ter wereld die een brandstofcel demonstreren die brandstof uit deze bosgrondstof gebruikt, " besluit Xavier Crispin.

Het blijft om de functie te verbeteren en te optimaliseren.

De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde duurzame systemen .

Het onderzoek is uitgevoerd onder auspiciën van het Digital Cellulose Center, gefinancierd door Vinnova, en maakt ook deel uit van de strategische investering van de overheid in geavanceerde functionele materialen, AFM, bij LiU.