Ein Schuss Rutheniumatome auf einem Geflecht aus Kupfer-Nanodrähten könnte ein Schritt in Richtung einer Revolution in der globalen Ammoniakindustrie sein, die auch der Umwelt hilft.
Mitarbeiter der George R. Brown School of Engineering der Rice University, der Arizona State University und des Pacific Northwest National Laboratory entwickelten den Hochleistungskatalysator, der mit nahezu 100-prozentiger Effizienz Ammoniak und festes Ammoniak – auch bekannt als Düngemittel – aus niedrigen Nitratkonzentrationen ziehen kann sind in Industrieabwässern und verunreinigtem Grundwasser weit verbreitet.
Eine Studie unter der Leitung des Chemie- und Biomolekularingenieurs Haotian Wang von Rice zeigt, dass der Prozess Nitratgehalte von 2.000 Teilen pro Million in Ammoniak umwandelt, gefolgt von einem effizienten Gas-Stripping-Prozess zum Sammeln von Ammoniakprodukten. Der verbleibende Stickstoffgehalt nach diesen Behandlungen kann auf „trinkbare“ Werte, wie von der Weltgesundheitsorganisation definiert, gesenkt werden.
„Wir haben einen kompletten Wasser-Denitrifikationsprozess durchgeführt“, sagte Doktorand Feng-Yang Chen. „Durch eine weitere Wasserbehandlung auf andere Schadstoffe können wir industrielles Abwasser möglicherweise wieder in Trinkwasser umwandeln.“
Chen ist einer der drei Hauptautoren des Artikels, der in erscheint Natur Nanotechnologie.
Die Studie zeigt eine vielversprechende Alternative zu effizienten Prozessen für eine Industrie, die auf einen energieintensiven Prozess angewiesen ist, um mehr als 170 Millionen Tonnen Ammoniak pro Jahr zu produzieren.
Die Forscher wussten aus früheren Studien, dass Rutheniumatome Meister darin sind, nitratreiches Abwasser zu katalysieren. Ihre Wendung bestand darin, es mit Kupfer zu kombinieren, das die Wasserstoffentwicklungsreaktion unterdrückt, eine Möglichkeit, Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen, was in diesem Fall ein unerwünschter Nebeneffekt ist.
„Wir wussten, dass Ruthenium ein guter Metallkandidat für die Nitratreduktion war, aber wir wussten auch, dass es ein großes Problem gab, dass es leicht eine konkurrierende Reaktion haben könnte, nämlich die Wasserstoffentwicklung“, sagte Chen. „Wenn wir Strom anlegten, gingen viele Elektronen einfach zu Wasserstoff, nicht zu dem Produkt, das wir wollen.“
„Wir haben ein Konzept aus anderen Bereichen wie der Kohlendioxidreduktion übernommen, bei dem Kupfer zur Unterdrückung der Wasserstoffentwicklung verwendet wird“, fügte Wang hinzu. „Dann mussten wir einen Weg finden, Ruthenium und Kupfer organisch zu kombinieren. Es hat sich herausgestellt, dass die Verteilung einzelner Rutheniumatome in der Kupfermatrix am besten funktioniert.“
Das Team verwendete Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie, um zu erklären, warum Rutheniumatome den chemischen Pfad, der Nitrat und Ammoniak verbindet, leichter überqueren, so der Mitautor Christopher Muhich, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen am Bundesstaat Arizona.
„Wenn es nur Ruthenium gibt, steht das Wasser im Weg“, sagte Muhich. „Wenn es nur Kupfer gibt, gibt es nicht genug Wasser, um Wasserstoffatome bereitzustellen. Aber an den einzelnen Rutheniumstellen konkurriert Wasser nicht so gut und liefert gerade genug Wasserstoff, ohne Stellen einzunehmen, an denen Nitrat reagieren kann.“
Der Prozess funktioniert bei Raumtemperatur und unter Umgebungsdruck und bei dem, was die Forscher als „industriell relevanten“ Nitratreduktionsstrom von 1 Ampere pro Quadratzentimeter bezeichneten, der Strommenge, die benötigt wird, um die Katalyserate zu maximieren. Das sollte es einfach machen, zu skalieren, sagte Chen.
„Ich denke, das hat großes Potenzial, aber es wurde ignoriert, weil es für frühere Studien schwierig war, eine so gute Stromdichte zu erreichen und gleichzeitig eine gute Produktselektivität beizubehalten, insbesondere bei niedrigen Nitratkonzentrationen“, sagte er. „Aber jetzt demonstrieren wir genau das. Ich bin zuversichtlich, dass wir Möglichkeiten haben werden, dieses Verfahren für industrielle Anwendungen voranzutreiben, insbesondere weil es keine große Infrastruktur erfordert.“
Ein Hauptvorteil des Verfahrens ist die Verringerung der Kohlendioxidemissionen aus der traditionellen industriellen Herstellung von Ammoniak. Diese sind nicht unbedeutend und belaufen sich auf 1,4 % der weltweiten jährlichen Emissionen, stellten die Forscher fest.
„Obwohl wir verstanden haben, dass die Umwandlung von Nitratabfällen in Ammoniak die bestehende Ammoniakindustrie kurzfristig möglicherweise nicht vollständig ersetzen kann, glauben wir, dass dieses Verfahren einen wesentlichen Beitrag zur dezentralen Ammoniakproduktion leisten könnte, insbesondere an Orten mit hohen Nitratquellen“, sagte Wang .
Neben der neuen Studie veröffentlichten das Labor von Wang und das des Rice-Umweltingenieurs Pedro Alvarez, Direktor des Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center, kürzlich einen Artikel in der Zeitschrift für Physikalische Chemie C Einzelheiten zur Verwendung von Kobalt-Kupfer-Nanopartikeln auf einem 3D-Kohlefaserpapiersubstrat als effizienter Katalysator zur Synthese von Ammoniak aus der Nitratreduktion. Dieser kostengünstige Katalysator erwies sich auch als vielversprechend für die Denitrifikation in Abwasser.
Feng-Yang Chen et al, Effiziente Umwandlung von Nitratquellen mit niedriger Konzentration in Ammoniak auf einem Ru-dispergierten Cu-Nanodraht-Elektrokatalysator, Natur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01121-4