Ammoniak ist für die Ernährung und die zukünftige Energieversorgung unerlässlich. In der Industrie wird es hauptsächlich nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt, das bei hohen Temperaturen und Drücken arbeitet. Aufgrund des hohen Energieverbrauchs und der Kohlenstoffemissionen der Ammoniakindustrie ist es wichtig, alternative Materialien und Ansätze für eine effiziente N2-Reduktion zu Ammoniak mithilfe erneuerbarer Energien zu entwickeln.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Chen Ping vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat eine photogetriebene Stickstofffixierung und Ammoniaksynthese realisiert, die durch Lithiumhydrid (LiH) vermittelt wird. Die Studie ist veröffentlicht In Naturchemie.
LiH ist das einfachste Salzhydrid mit einer Bandlücke von 3,7 eV. Aufgrund seines hohen Wasserstoffgehalts (12,5 Gew.-%) wurde es für die Wasserstoffspeicherung untersucht. Allerdings ist die Dehydrierung von LiH thermodynamisch ungünstig.
In dieser Studie fanden die Forscher heraus, dass ultraviolette (UV) Beleuchtung von LiH einen deutlichen Farbwechsel von Weiß zu Hellblau hervorrufen könnte, begleitet von der Freisetzung einer kleinen Menge H2 unter Umgebungsbedingungen. Ein solches Phänomen implizierte, dass LiH unter UV-Beleuchtung einer Photolyse unterzogen wurde, was dazu führte, dass durch Photonen erzeugte Elektronen in seinen Wasserstofffehlstellen als langlebige und elektronenreiche F-Zentren eingefangen wurden, was einen grundlegend anderen Mechanismus für die Ladungsträgertrennung zeigte.
Die Forscher wiesen darauf hin, dass beleuchtetes LiH eine elektronenreiche Oberfläche mit Wasserstofffehlstellen hatte, was die Aktivierung von N2 zur Bildung einer NH-Bindung erleichterte. Sie führten gleichzeitig ein N2/H2-Gemisch mit niedrigem H2-Partialdruck in die LiH-Pulver ein, was zu einer photokatalytischen Ammoniakproduktion unter Umgebungsbedingungen führte.
„Dieser photochemische Weg ist flexibel im Betrieb und könnte für die kleinräumige und verteilte Ammoniaksynthese mit intermittierender Sonnenenergie geeignet sein“, sagte Prof. Chen.
Mehr Informationen:
Yeqin Guan et al., Lichtgetriebene Ammoniaksynthese unter milden Bedingungen mit Lithiumhydrid, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-023-01395-8