Umweltfreundlicher Reaktor wandelt Luft und Wasser nach dem Vorbild von Blitzen in Ammoniak um
Ohne jeglichen Kohlenstoff-Fußabdruck
Es ist gut möglich, dass Sie Ihre Existenz dem Haber-Bosch-Verfahren verdanken. Bei dieser industriellen chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Stickstoff entsteht Ammoniak, der Hauptbestandteil synthetischer Düngemittel, die einen Großteil der weltweiten Nahrungsmittelversorgung sicherstellen und die Bevölkerungsexplosion des letzten Jahrhunderts ermöglichten. Sie kann auch die Existenz künftiger Generationen bedrohen. Der Prozess verbraucht etwa 2 % der weltweiten Gesamtenergieversorgung, und der für die Reaktion benötigte Wasserstoff stammt zumeist aus fossilen Brennstoffen.
Ein plasma-elektrochemischer Reaktor, der vom Team von Chris Li entwickelt wurde, kann Nitrogren in der Luft in Ammoniak umwandeln, ohne einen Kohlenstoff-Fußabdruck zu hinterlassen.
Douglas Levere/University at Buffalo
In Anlehnung an die Art und Weise, wie die Natur - einschließlich Blitze - Ammoniak erzeugt, hat ein Team unter der Leitung der University at Buffalo einen Reaktor entwickelt, der den chemischen Rohstoff aus Luft- und Wasserstickstoff herstellt, und zwar ohne jeglichen Kohlenstoff-Fußabdruck.
Dieser plasma-elektrochemische Reaktor, der in einer im Journalof the American Chemical Society veröffentlichten Studie beschrieben wird, kann eine hohe Ammoniakproduktionsrate von etwa 1 Gramm pro Tag über 1.000 Stunden lang bei Raumtemperatur aufrechterhalten, und zwar direkt aus der Luft.
Laut den Forschern ist dies ein bedeutender Fortschritt auf dem Weg zu einer umweltfreundlichen Ammoniaksynthese mit einer industriell wettbewerbsfähigen Produktionsrate und Reaktionsstabilität.
"Ammoniak wird oft als die Chemikalie angesehen, die die Welt ernährt, aber wir müssen auch feststellen, dass das Haber-Bosch-Verfahren seit seiner Erfindung vor 100 Jahren nicht modernisiert wurde. Es wird immer noch bei hohen Temperaturen und unter hohem Druck verarbeitet und erzeugt einen großen Kohlenstoff-Fußabdruck, so dass es auf lange Sicht nicht nachhaltig ist", sagt der korrespondierende Autor der Studie, Chris Li, PhD, Assistenzprofessor für Chemie am UB College of Arts and Sciences. "Unser Verfahren benötigt nur Luft und Wasser und kann mit erneuerbarer Elektrizität betrieben werden.
Den Stickstoffkreislauf der Natur imitieren
Die Natur hat ihre eigene Art, Dünger zu produzieren. Bei der Stickstofffixierung spaltet die elektrische Energie eines Blitzschlags die Stickstoffmoleküle in der Atmosphäre auf und bildet verschiedene Stickoxidarten. Nachdem sie als Regenwasser herabgefallen sind, werden die Stickoxide von Bakterien im Boden in Ammoniak umgewandelt, das die Pflanzen mit Nährstoffen versorgt.
In dem zweistufigen Reaktor des UB-Teams wird die Rolle des Blitzes durch Plasma und die Rolle der Bakterien durch einen Kupfer-Palladium-Katalysator ersetzt.
"Unser Plasmareaktor wandelt befeuchtete Luft in Stickoxidfragmente um, die dann in einen elektrochemischen Reaktor gelangen, der sie mithilfe des Kupfer-Palladium-Katalysators in Ammoniak umwandelt", sagt Li.
Entscheidend ist, dass der Katalysator in der Lage ist, die zahlreichen Stickstoffdioxid-Zwischenprodukte, die im Plasmareaktor entstehen, zu adsorbieren und zu stabilisieren. Der graphentheoretische Algorithmus des Teams ergab, dass die meisten Stickstoffoxidverbindungen als Zwischenschritt Stickstoffmonoxid oder Amin durchlaufen müssen, bevor sie zu Ammoniak werden. So konnte das Team einen intelligenten Katalysator entwickeln, der sich günstig mit diesen beiden Verbindungen verbindet.
"Wenn Plasmaenergie oder ein Blitzschlag Stickstoff aktiviert, entsteht eine Suppe von Stickoxidverbindungen. In unserem Fall ist es unglaublich schwierig, bis zu acht verschiedene chemische Verbindungen gleichzeitig in Ammoniak umzuwandeln", sagt Xiaoli Ge, Erstautorin der Studie und Postdoktorandin in Lis Labor. "Mit Hilfe der Graphentheorie können wir die verschiedenen Reaktionswege aufzeichnen und dann eine Engpass-Chemikalie identifizieren. Wir optimieren dann unseren elektrochemischen Reaktor, um die Engpass-Chemikalie zu stabilisieren, so dass alle verschiedenen Zwischenprodukte selektiv in Ammoniak umgewandelt werden."
Maßstabsvergrößerung
Das Team von Li ist derzeit dabei, seinen Reaktor zu vergrößern, und prüft sowohl ein Start-up als auch Partnerschaften mit der Industrie, um ihn zu kommerzialisieren. Das Technologietransferbüro der UB hat den Reaktor und die Methoden zu seiner Nutzung zum Patent angemeldet.
Mehr als die Hälfte des weltweiten Ammoniakbedarfs wird von vier Ländern - China, den Vereinigten Staaten, Russland und Indien - produziert, während viele Entwicklungsländer nicht in der Lage sind, ihr eigenes Ammoniak zu erzeugen. Während das Haber-Bosch-Verfahren in großem Maßstab in einem zentralisierten Kraftwerk durchgeführt werden muss, kann das System von Li in einem viel kleineren Maßstab betrieben werden.
"Man kann sich unsere Reaktoren in einem mittelgroßen Schiffscontainer mit Sonnenkollektoren auf dem Dach vorstellen. Diese können dann überall auf der Welt aufgestellt werden und Ammoniak nach Bedarf für die jeweilige Region erzeugen", sagt er. "Das ist ein sehr interessanter Vorteil unseres Systems, der es uns ermöglichen wird, Ammoniak für unterentwickelte Regionen zu produzieren, die nur begrenzt Zugang zum Haber-Bosch-Verfahren haben."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Xiaoli Ge, Chengyi Zhang, Mayuresh Janpandit, Shwetha Prakash, Pratahdeep Gogoi, Daoyang Zhang, Timothy R. Cook, Geoffrey I.N. Waterhouse, Longwei Yin, Ziyun Wang, Yuguang C. Li; "Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis"; Journal of the American Chemical Society, 2024-12-12
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