Fortschritte in kostengünstiger elektrochemischer Ammoniak-Synthese

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Wissenschaftler entwickeln leistungsstarken Elektrokatalysator zum Ersatz von Haber-Bosch

Ammoniak (NH3) gehört zu den wichtigsten (und meisten) vom Menschen produzierten Chemikalien und wird in großen Mengen für den Einsatz in der Landwirtschaft, der Pharmazie und der nachhaltigen Energieerzeugung hergestellt. Leider ist bisher die einzige realistische Möglichkeit, Ammoniak in industriellem Maßstab zu produzieren, das Haber-Bosch-Verfahren. Diese im 19. Jahrhundert entdeckte Technik ist sehr energieintensiv und umweltschädlich: sie sind für etwa 2 % der jährlichen weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Kürzlich haben Wissenschaftler des Gyeongbuk Institute of Science and Technology in Daegu, Korea, einen neuen kostengünstigen und langlebigen Elektrokatalysator entwickelt, der ein natürliches Enzym zur Herstellung von NH3 aus Luftstickstoff nachahmt.

Indem sie einige der Eigenschaften der Nitrogenase nachahmten, entwickelten die Wissenschaftler einen Elektrokatalysator, der in der Lage ist, Ammoniak aus atmosphärischem Stickstoff zu produzieren. „In Anbetracht der Bedrohung durch die globale Erwärmung ist es höchste Zeit, auf eine Ammoniak-Syntheseroute ohne CO2-Emissionen umzusteigen“, sagt Professor Sangaraju Shanmugam vom Gyeongbuk Institute. 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 Forschungsgruppen erfolgreich Katalysatoren für elektrochemische Zellen mit hohen Ammoniakproduktionsraten entwickelt haben, leiden viele von ihnen unter geringer Effizienz und Selektivität gegenüber N2. Andere erfordern Edelmetalle oder komplexe Syntheseprozesse, was ihre Anwendbarkeit im industriellen Maßstab einschränkt. In einer aktuellen Studie 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 lösen, 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 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 in Bezug auf die industrielle Skalierbarkeit macht. Außerdem lieferte die Studie wichtige Erkenntnisse darüber, wie die Größe der Nanopartikel die Selektivität des Katalysators für die Stickstofffixierung beeinflusst. Shanmugam: „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.“

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