Ein Forscherteam hat eine vielversprechende Alternative zur herkömmlichen Ammoniaksynthese vorgestellt, die umweltfreundlicher ist.
Details ihrer Forschung waren veröffentlicht im Zeitschrift für Materialchemie A am 21. Februar 2024.
Als Fritz Haber und Carl Bosch Anfang des 20. Jahrhunderts ein Mittel zur Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoffgas erfanden, ermöglichte es die Produktion der Chemikalie auf industriellem Niveau. Bis heute ist die Haber-Bosch-Synthese die dominierende Methode zur Herstellung von Ammoniak.
Dennoch weist die Methode einige ökologische Nachteile auf. Es ist energie- und ressourcenintensiv, und bei der Herstellung von Wasserstoffgas wird oft Erdgas eingesetzt, das Kohlendioxid als Nebenprodukt freisetzt.
Als vielversprechende und nachhaltige Alternative gilt die elektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion (ENRR), bei der Stickstoffgas aus der Luft mithilfe von elektrischem Strom in Ammoniak umgewandelt werden kann. Die Suche nach leistungsstarken und kostengünstigen ENRR-Katalysatoren ist jedoch eine offene Herausforderung für die Erzielung einer kommerziellen Ammoniakproduktion bei Umgebungstemperatur.
„Wir haben das Potenzial weniger edler Übergangsmetalldisulfide (TMS2) als Katalysatoren für ENRR untersucht“, sagt Hao Li, außerordentlicher Professor am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Tohoku-Universität und korrespondierender Autor des Papiers. „Durch eine sorgfältige Analyse der durch Elektrochemie induzierten Oberflächenzustände haben wir einen bisher unerkannten Faktor entdeckt, der zu ihrer hohen ENRR-Leistung beiträgt: die Erzeugung von S-Leerstellen.“
Li und seine Kollegen begannen mit einem typischen ENRR-TMS2-Katalysator, Eisendisulfid (FeS2), bei dem sie beobachteten, dass unter ENRR-Bedingungen leicht S-Leerstellen auf der Katalysatoroberfläche erzeugt werden können. Durch fortgeschrittene Computersimulationen zeigten sie, dass diese elektrochemisch gesteuerte „In-situ“-Erzeugung von S-Leerstellen die ENRR-Aktivität deutlich steigert, indem sie eine stärkere N-N-Adsorption und -Aktivierung fördert.
Experimentelle Beobachtungen bestätigten ihre Ergebnisse, die auch mit der neueren Literatur über ENRR-Potenzialfenster übereinstimmen, die den maximalen Faradayschen Wirkungsgrad erreichen – das Maß für die Wirksamkeit eines elektrochemischen Prozesses bei der Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie oder umgekehrt.
Ihre Analyse erstreckte sich auch auf andere TMS2-Katalysatoren (SnS2, MoS2, NiS2 und VS2) und offenbarte ein universelles Phänomen der „in situ“-S-Leerstellenbildung unter ENRR-Potentialen.
„Unsere Forschung unterstreicht die entscheidende Bedeutung der Berücksichtigung von Oberflächenzuständen beim Design von ENRR-Katalysatoren“, fügt Li hinzu. „Indem wir die Rolle von S-Leerstellen beleuchten, haben wir einen wertvollen Fahrplan für die Verbesserung der ENRR-Leistung und die Beschleunigung des Übergangs zu einer nachhaltigen Ammoniakproduktion bereitgestellt.“
Mehr Informationen:
Tianyi Wang et al., Ursprung der elektrokatalytischen Stickstoffreduktionsaktivität über Übergangsmetalldisulfiden: entscheidende Rolle der In-situ-Erzeugung von S-Leerstellen, Zeitschrift für Materialchemie A (2024). DOI: 10.1039/D4TA00307A