Forskare från Laboratory of Organic Electronics vid Linköpings universitet har utvecklat en bränslecell som använder lignin, en billig biprodukt från papperstillverkning och en av de vanligaste biopolymererna.

Ungefär 25 procent av ett träd är lignin - en biopolymer som limmar ihop cellulosafibrerna för att bilda starkt och hållbart trä. Under kemisk tillverkning av pappersmassa löses detta lignin i antingen sulfat- eller sulfitprocessen, eftersom cellulosan är den önskade komponenten för tillverkning av papper. Lignin är billigt och lättillgängligt. Det är en biopolymer som består av ett stort antal kolvätekedjor vävda ihop, som kan brytas ned i en industriell process till dess energirika beståndsdelar, bensendioler. En av dessa, katekol utgör 7 procent av ligninet. Forskare vid gruppen Organic Energy Materials vid LiU, ledd av professor Xavier Crispin, har upptäckt att denna typ av molekyl är ett utmärkt bränsle för användning i bränsleceller.

Det bränsle som oftast används i traditionella bränsleceller är vätgas, som reagerar med syre från luften. Den kemiska energin omvandlas i bränslecellen till elektricitet, vatten och värme. Dock, 96 procent av vätet som produceras över hela världen kommer från icke-hållbara källor, och åtföljs av koldioxidutsläpp.

Andra bränslen som används i bränsleceller är etanol och metanol, men dessa producerar också koldioxid som en biprodukt. Elektroderna som är nödvändiga för att locka de flyktande elektronerna är vanligtvis gjorda av platina, vilket är både dyrt och knappt.

Bensendioler, dock, är aromatiska molekyler, och metallelektroder kan inte användas i bränsleceller baserade på bensendioler eftersom reaktionerna är något mer komplexa. Forskarna använder istället elektroder tillverkade av den populära ledande polymeren PEDOT:PSS. Denna polymer har den intressanta egenskapen att leda elektricitet, samtidigt som det har ett överskott av protoner. Detta innebär att den fungerar som både elektrod och protonledare.

"PEDOT:PSS är en perfekt katalysator för reaktionen med en bensendiol som katekol, "säger Xavier Crispin

Bränslets kemiska energi omvandlas till elektricitet utan att koldioxid bildas.

"När ett bränsle som etanol används i en bränslecell, människor hävdar vanligtvis att det har noll påverkan på klimatet, eftersom koldioxiden är en komponent i en cirkulation. Det betyder att etanol anses vara ett grönt bränsle. Vi kan nu tillverka el utan utsläpp av koldioxid alls, vilket gör vårt bränsle supergrönt. Tekniken är också både billig och skalbar, "säger Xavier Crispin.

Endast ett fåtal forskargrupper har undersökt PEDOT:PSS som ett möjligt material för både elektroder och katalysatorer.

"Det finns en grundläggande brist på kunskap om PEDOT:PSS inom elektrokemi, "avslutar Xavier Crispin, när han stolt presenterar doktoranden Canyan Che och forskningsingenjör Mikhail Vagin, som utgör gruppen som har arbetat med bränslecellen.

Forskarna har beräknat att mängden el som produceras av den nya bränslecellen är ungefär densamma som de nuvarande etanolbaserade och metanolbaserade bränslecellerna.

"En effektiv metod för att producera katekol från lignin är redan tillgänglig, och vi är först i världen med att demonstrera en bränslecell som använder bränsle från denna skogsråvara, "avslutar Xavier Crispin.

Det återstår att förbättra och optimera funktionen.

Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Avancerade hållbara system .

Forskningen har utförts i regi av Digital Cellulose Center, finansierad av Vinnova, och är också en del av regeringens strategiska satsning på avancerade funktionella material, AFM, vid LiU.