Die Herstellung von Ammoniak durch elektrochemische Prozesse könnte die Kohlendioxidemissionen reduzieren

Ammoniak wird häufig in Düngemitteln verwendet, da es den höchsten Stickstoffgehalt von kommerziellen Düngemitteln aufweist, was es für die Pflanzenproduktion unerlässlich macht. Für jedes produzierte Ammoniakmolekül werden jedoch zwei Kohlendioxidmoleküle gebildet, die zu einem Überschuss an Kohlendioxid in der Atmosphäre beitragen.

Ein Team des Artie McFerrin Department of Chemical Engineering an der Texas A&M University, bestehend aus Dr. Abdoulaye Djire, Assistenzprofessor, und Doktorand Denis Johnson, hat eine Methode zur Herstellung von Ammoniak durch elektrochemische Prozesse weiterentwickelt, die zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen beiträgt. Diese Forschung zielt darauf ab, den thermochemischen Haber-Bosch-Prozess durch einen elektrochemischen Prozess zu ersetzen, der nachhaltiger und sicherer für die Umwelt ist.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich in Wissenschaftliche Berichte.

Seit den frühen 1900er Jahren wird das Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak verwendet. Dieses Verfahren funktioniert durch die Reaktion von atmosphärischem Stickstoff mit Wasserstoffgas. Ein Nachteil des Haber-Bosch-Verfahrens besteht darin, dass es einen hohen Druck und eine hohe Temperatur erfordert und einen großen Energiefußabdruck hinterlässt. Das Verfahren erfordert auch Wasserstoff als Ausgangsmaterial, das aus nicht erneuerbaren Ressourcen gewonnen wird. Es ist nicht nachhaltig und hat negative Auswirkungen auf die Umwelt, was den Bedarf an neuen und umweltfreundlichen Verfahren beschleunigt.

Die Forscher haben vorgeschlagen, die elektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) zu verwenden, um Ammoniak aus atmosphärischem Stickstoff und Wasser herzustellen. Die Vorteile der Verwendung eines elektrochemischen Verfahrens umfassen die Verwendung von Wasser zur Bereitstellung von Protonen und die Fähigkeit, Ammoniak bei Umgebungstemperatur und -druck zu erzeugen. Dieses Verfahren würde potenziell weniger Energie benötigen und wäre kostengünstiger und umweltfreundlicher als das Haber-Bosch-Verfahren.

Der NRR arbeitet mit einem Elektrokatalysator. Damit dieser Prozess erfolgreich ist, muss sich Stickstoff an die Oberfläche binden und auseinanderbrechen, um Ammoniak zu produzieren. In dieser Studie verwendeten die Forscher MXene, ein Titannitrid, als Elektrokatalysator. Was diesen Katalysator von anderen unterscheidet, ist, dass Stickstoff bereits in seiner Struktur vorhanden ist, was eine effizientere Ammoniakformulierung ermöglicht.

„Es ist einfacher für Ammoniak, sich zu bilden, weil die Protonen sich an den Stickstoff in der Struktur anlagern können, das Ammoniak bilden und dann das Ammoniak aus der Struktur austritt“, sagte Johnson. „In der Struktur wird ein Loch gemacht, das das Stickstoffgas hineinziehen und die Dreifachbindung trennen kann.“

Die Forscher fanden heraus, dass die Verwendung von Titannitrid einen Mars-van-Krevelen-Mechanismus induziert, einen beliebten Mechanismus für die Kohlenwasserstoffoxidation. Dieser Mechanismus folgt einem niedrigeren Energieweg, der aufgrund des Stickstoffs aus dem Titannitridkatalysator höhere Ammoniakproduktionsraten und Selektivität ermöglichen würde.

Ohne Modifikationen an den Materialien erreichten die Forscher eine Selektivität von 20 %, was dem Verhältnis des gebildeten gewünschten Produkts zu dem gebildeten unerwünschten Produkt entspricht. Ihre Methode könnte mit Modifikationen möglicherweise einen höheren Selektivitätsprozentsatz erreichen und einen neuen Weg zur Ammoniakproduktion durch elektrochemische Prozesse beschreiten.

„Das Energieministerium hat sich eine Selektivität von 60 % zum Ziel gesetzt, was eine schwierig zu erreichende Zahl ist“, sagte Johnson. „Wir konnten mit unserem Material 20 % erreichen und zeigen eine Methode, die wir möglicherweise nutzen können, um voranzukommen. Wenn wir unser Material verbessern, können wir dann bald 60 % erreichen? Das ist die Frage, an der wir weiter arbeiten werden Antworten.“

Diese Forschung könnte möglicherweise den CO2-Fußabdruck und den globalen Energieverbrauch in größerem Maßstab reduzieren.

„In der Zukunft könnte dies eine große wissenschaftliche Reform sein“, sagte Djire. „Ungefähr 2 % der weltweiten Gesamtenergie wird für die Ammoniakproduktion verwendet. Die Reduzierung dieser enormen Zahl würde unseren CO2-Fußabdruck und Energieverbrauch drastisch reduzieren.“

Weitere Mitwirkende an der Veröffentlichung sind Eric Kelley vom Fachbereich Chemieingenieurwesen der Texas A&M, Brock Hunter von der Auburn University sowie Jevaun Christie und Cullan King von der Prairie View A&M University.