Wirksamer neuer Katalysator bringt Hoffnung für sauberere Energie, Abwasserreinigung und grüne Chemie
Ein Katalysator, der die Ammoniakumwandlung deutlich verbessert, könnte die Abwasserbehandlung, die Produktion von grünen Chemikalien und Wasserstoff verbessern
Ein Team von Wissenschaftlern hat einen wirksamen Katalysator mit einer bemerkenswerten Fähigkeit zur Steigerung der Effizienz der Ammoniakumwandlung entwickelt. Die Studie zeigt, dass der Katalysator das Potenzial hat, die Abwasserbehandlung, die Herstellung von grünem Nitrit und Nitrat sowie die Wasserstoffproduktion erheblich zu verbessern.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des in dieser Studie entwickelten Katalysators, NiOOH-Ni.
Hanwen Liu, et al. Advanced Energy Materials. August 7, 2024
Katalysatoren sind Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie einen effizienteren Weg für das Auftreten einer Reaktion bieten und deren Beginn und Abschluss erleichtern. Da Katalysatoren bei der Reaktion weder verbraucht noch verändert werden, können sie immer wieder verwendet werden und sind für eine Vielzahl von industriellen, ökologischen und biochemischen Prozessen unerlässlich.
Das Team, zu dem auch Forscher der japanischen Universität Hokkaido und der australischen University of Technology Sydney gehörten, entwickelte den Katalysator mit der Bezeichnung NiOOH-Ni durch Kombination von Nickel (Ni) mit Nickeloxidhydroxid.
Ammoniak kann schwerwiegende Umweltprobleme verursachen, z. B. übermäßiges Algenwachstum in Gewässern, das den Sauerstoff verbraucht und das Leben im Wasser beeinträchtigt. In hohen Konzentrationen kann Ammoniak Menschen und Wildtiere schädigen. Eine wirksame Bewirtschaftung und Umwandlung von Ammoniak ist daher von entscheidender Bedeutung, aber aufgrund seiner korrosiven Eigenschaften ist es schwer zu handhaben.
Die Forscher entwickelten NiOOH-Ni mithilfe eines elektrochemischen Verfahrens. Nickelschaum, ein poröses Material, wurde mit elektrischem Strom behandelt, während er in eine chemische Lösung getaucht wurde. Diese Behandlung führte zur Bildung von Nickeloxidpartikeln auf der Oberfläche des Schaums. Trotz ihrer unregelmäßigen und nicht kristallinen Struktur verbessern diese Nickel-Sauerstoff-Partikel die Effizienz der Ammoniakumwandlung erheblich. Das Design des Katalysators ermöglicht einen effektiven Betrieb bei niedrigeren Spannungen und höheren Strömen als bei herkömmlichen Katalysatoren.
"NiOOH-Ni funktioniert besser als Ni-Schaum, und der Reaktionsweg hängt von der Menge der verwendeten Elektrizität (Spannung) ab", erklärt Professor Zhenguo Huang von der University of Technology Sydney, der die Studie leitete. "Bei niedrigeren Spannungen produziert NiOOH-Ni Nitrit, während es bei höheren Spannungen Nitrat erzeugt".
Das bedeutet, dass der Katalysator je nach Bedarf auf unterschiedliche Weise verwendet werden kann. So kann er beispielsweise zur Reinigung von Abwässern verwendet werden, indem er Ammoniak in weniger schädliche Stoffe umwandelt. In einem anderen Verfahren kann er aber auch zur Herstellung von Wasserstoffgas, einem sauberen Kraftstoff, verwendet werden. Diese Flexibilität macht NiOOH-Ni für verschiedene Anwendungen wertvoll.
"NiOOH-Ni ist beeindruckend haltbar und stabil und funktioniert auch nach mehrmaligem Gebrauch noch gut", sagt Associate Professor Andrey Lyalin von der Hokkaido Universität, der an der Studie beteiligt war. "Das macht ihn zu einer großartigen Alternative zu herkömmlichen, teureren Katalysatoren wie Platin, die bei der Umwandlung von Ammoniak nicht so effektiv sind."
Aufgrund seiner langfristigen Zuverlässigkeit eignet sich der Katalysator für den industriellen Einsatz in großem Maßstab und könnte die Art und Weise, wie die Industrie mit Abwässern umgeht und saubere Energie erzeugt, verändern.
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