Abkehr von den alten Wegen: Fortschritte bei der kostengünstigen elektrochemischen Synthese von Ammoniak

Wissenschaftler entwickeln leistungsstarken Elektrokatalysator zur Synthese von Ammoniak, um herkömmliche, umweltschädliche Methoden zu ersetzen

15.04.2021 - Korea, Rep.

Ammoniak (NH3) gehört zu den wichtigsten vom Menschen produzierten Chemikalien und hat neben der Verwendung in der Düngemittelproduktion eine vielversprechende Zukunft in nachhaltigen Energieanwendungen. Leider ist bisher die einzige realistische Möglichkeit, Ammoniak in industriellem Maßstab zu produzieren, das Haber-Bosch-Verfahren. Diese Technik, die im 19. Jahrhundert entdeckt wurde, ist sehr energieintensiv und umweltschädlich; etwa 2 % der jährlichen weltweiten CO2-Emissionen stammen aus Haber-Bosch-Prozessen.

"In Anbetracht der Bedrohungen durch die globale Erwärmung ist es höchste Zeit, auf eine Ammoniak-Syntheseroute ohne CO2-Emissionen umzusteigen", sagt Professor Sangaraju Shanmugam vom Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) in Korea. Shanmugam und seine Kollegen am DGIST haben daran gearbeitet, neue Wege zur Herstellung von Ammoniak durch elektrochemische Reaktionen bei Raumtemperatur unter Verwendung des natürlich in der Luft vorhandenen Stickstoffs (N2) zu finden, ein Prozess, der technisch als "elektrokatalytische Fixierung von atmosphärischem N2" bezeichnet wird.

Obwohl verschiedene Forschergruppen erfolgreich Katalysatoren für elektrochemische Zellen mit hohen Ammoniakproduktionsraten entwickelt haben, leiden viele unter geringer Effizienz und Selektivität gegenüber N2. Andere erfordern Edelmetalle oder komplexe Syntheseprozesse, was ihre Anwendbarkeit im industriellen Maßstab einschränkt. In einer aktuellen Studie, die in Applied Catalysis B: Environmental haben DGIST-Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Shanmugam all diese Probleme mit einem neuartigen Katalysator für die elektrochemische Ammoniaksynthese angegangen.

Ihr Ansatz basiert auf Molybdännitrid (Mo2N)-Nanopartikeln, die elektrische Eigenschaften mit dem Enzym Nitrogenase teilen, das einige Bakterien in der Natur zur Ammoniakproduktion nutzen. Nanopartikel allein schaffen es nicht, da sie dazu neigen, aneinander zu haften. Diese Agglomeration reduziert die Gesamtoberfläche, die dem N2 ausgesetzt ist, und behindert somit die Leistung des Katalysators. Um dieses Problem zu bekämpfen, stellten die Wissenschaftler zweidimensionale hexagonale Bornitrid (h-BN)-Platten her und gestalteten sie so, dass sie Defekte enthalten. Diese Defekte - Bor- und Stickstofflücken - boten den Mo2N-Nanopartikeln die Möglichkeit, sich zu verankern, ohne dabei stark zu agglomerieren.

Mit diesem Katalysator gelang es dem Team, Ammoniak mit einer hohen Rate und einer Effizienz von 61,5 % auf stabile und robuste Weise zu synthetisieren. Besonders bemerkenswert ist, dass der gesamte Herstellungsprozess des kostengünstigen ?-Mo2N/h-BN-Katalysators in einem einzigen Schritt durchgeführt werden kann, was ihn zu einer attraktiven Option im Hinblick auf die industrielle Skalierbarkeit macht. Darüber hinaus lieferte die Studie wichtige Erkenntnisse darüber, wie die Größe der Nanopartikel die Selektivität des Katalysators für die Stickstofffixierung beeinflusst. Prof. Shanmugam bemerkt dazu: "Wir glauben, dass unsere Arbeit einen großen Beitrag zur Entwicklung effizienter Katalysatoren leisten wird. Das Vorantreiben alternativer Technologien für die Produktion wertvoller Chemikalien wie Ammoniak über elektrokatalytische Methoden soll den Weg für eine sauberere und sicherere Umwelt ebnen."

Bleibt zu hoffen, dass weitere Studien es uns endlich ermöglichen, die Methoden von gestern zugunsten der nachhaltigen Alternativen von morgen aufzugeben.

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Originalveröffentlichung

David Kumar et al.; "Strong catalyst support interactions in defect-rich γ-Mo2N nanoparticles loaded 2D-h-BN hybrid for highly selective nitrogen reduction reaction"; Applied Catalysis B: Environmental; 2021

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