Ein Forschungsteam der University of Central Florida mit Mitarbeitern der Virginia Tech hat wichtige Erkenntnisse über die elektrochemische Synthese von Ammoniak veröffentlicht, um die Forschung zu nachhaltigen Düngemitteln voranzutreiben und damit die weltweiten Bemühungen um Lebensmittelsicherheit zu unterstützen.
Ammoniak, eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Düngemittel für die Lebensmittelproduktion. Seine primäre Produktionsmethode, das Haber-Bosch-Verfahren, ist jedoch energie- und brennstoffintensiv, verbraucht 3 % bis 5 % der weltweiten Erdgasproduktion und ist für mehr als 1 % der globalen Kohlenstoffemissionen verantwortlich.
Unter Verwendung des Metalls Ruthenium als Katalysator identifizierten die Forscher den effizientesten Weg zur Herstellung von Ammoniak durch eine nachhaltigere Produktionsmethode – elektrochemisch. Diese Produktionsmethode kann nachhaltiger sein, wenn Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind verwendet wird, um die elektrochemische Synthese anzutreiben, sagen die Forscher.
Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht ACS Energiebriefe.
Während es viele Forschungsanstrengungen zur elektrochemischen Ammoniakproduktion gibt, müssen die zugrunde liegenden Mechanismen noch besser verstanden werden, sagen die Forscher. Diese neue Forschung trägt jedoch dazu bei, ein klareres Bild des Reaktionsmechanismus zu liefern, sagt der Co-Autor der Studie, Xiaofeng Feng, Professor am Department of Physics der UCF.
„Die Ergebnisse dieser eingehenden Arbeit können Forschern wichtige Hinweise geben, wie sie effizientere Katalysatoren für eine nachhaltige Ammoniakproduktion entwickeln können“, sagt Feng.
Wie sie die Arbeit gemacht haben
Die optimale Bindungsstärke von Ruthenium mit Reaktionszwischenprodukten macht es zu einem der aktivsten Katalysatoren für die Stickstoffreduktionsreaktion, die Ammoniak durch die Kombination von Stickstoff mit Wasserstoff aus Wassermolekülen erzeugt.
Mithilfe der Atomlagenabscheidung konnten die Forscher die synthetisierten Nanomaterialien auf atomarer Ebene präzise kontrollieren, was die Prüfung von Ruthenium-Nanopartikeln im Bereich von zwei bis acht Nanometern ermöglichte.
Die Forscher entdeckten, dass bei der Schichtung von Rutheniumatomen in eine katalytische Struktur eine spezielle Anordnung von Ruthenium-Oberflächenatomen – die sogenannte D5-Stufenstelle – die aktivste Stelle für die elektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion war.
Im Gegensatz zu anderen Stellen besitzt die D5-Stufenstelle das „perfekte Gleichgewicht“, das die Bildung des *N2H-Zwischenprodukts begünstigt und nicht durch das *NH2-Zwischenprodukt vergiftet (unfähig gemacht wird, neue Moleküle zu adsorbieren und zu reagieren), sagen die Forscher.
Ruthenium-Nanopartikel mit einer Größe von etwa vier Nanometern erwiesen sich somit als die beste katalytische Leistung für die Stickstoffreduktionsreaktion. Die Aktivität erreichte ihren Höhepunkt bei vier Nanometern und fiel dann um das Fünffache ab, wenn die Partikelgröße verdoppelt wurde, was den kritischen Effekt der Ruthenium-Partikelgröße auf die Katalyse demonstriert.
Die frühere Arbeit der Forscher zur Verbesserung der Effizienz der elektrochemischen Produktion von Ammoniak half der aktuellen Studie, indem sie das mechanistische Verständnis und die Forschungsmethodik lieferte.
Kollaborative Forschung
Die neue Forschung ist eine Zusammenarbeit zwischen drei Forschungsteams.
Feng und seine Studenten charakterisierten die Rutheniumproben und untersuchten sie als Katalysatoren für die elektrochemische Produktion von Ammoniak. Der Co-Autor der Studie, Parag Banerjee, Professor am Department of Materials Science & Engineering der UCF, und seine Studenten konzentrierten sich in Banerjees Labor auf die präzise Synthese von Rutheniummetall-Nanopartikeln.
Darüber hinaus führten der Virginia Tech-Professor Hongliang Xin und sein Student Computerstudien durch, um die Atomstruktur zu modellieren und zu identifizieren, die für die höchste katalytische Leistung verantwortlich ist.
Die Forscher planen, weiter zusammenzuarbeiten, um komplexere, effizientere Materialien mithilfe der Atomlagenabscheidung für eine nachhaltige Ammoniakproduktion zu entwickeln, sagt Feng. Sie werden die Katalysatormaterialien auch in fortschrittliche Elektrolysegeräte implementieren, um die Ausbeute und Effizienz der elektrisch betriebenen Ammoniakproduktion zu verbessern.
Mehr Informationen:
Lin Hu et al, Identifizierung aktiver Stellen für die Ammoniak-Elektrosynthese auf Ruthenium, ACS Energiebriefe (2022). DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02175