Neutronenstreuungsstudie weist den Weg zur elektrochemischen Herstellung von CO2-neutralem Ammoniak

Wissenschaftler der Stanford University und des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums verwandeln Luft in Dünger, ohne einen CO2-Fußabdruck zu hinterlassen. Ihre Entdeckung könnte eine dringend benötigte Lösung liefern, um dazu beizutragen, die weltweiten CO2-Neutralitätsziele bis 2050 zu erreichen.

In der Zeitschrift veröffentlicht Energie- und UmweltwissenschaftenDie Studie beschreibt ein nachhaltiges elektrochemisches – und nicht chemisches – Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, einem Schlüsselbestandteil für Stickstoffdünger.

Im Wesentlichen nutzten die Forscher die Neutronenstreuung, um zu verstehen, wie der Wechsel eines elektrischen Stroms während der Umwandlung von Stickstoff in Ammoniak, auch Stickstoffreduktionsreaktion genannt, die Menge an produziertem Ammoniak erhöht. Dieser Prozess hat das Potenzial, es Landwirten zu ermöglichen, Stickstoff, das am häufigsten vorkommende Element in unserer Atmosphäre, in Düngemittel auf Ammoniakbasis umzuwandeln, ohne Kohlendioxid auszustoßen.

„Ammoniak ist für die Nahrungsmittelversorgung des Großteils der Weltbevölkerung von entscheidender Bedeutung“, sagte Sarah Blair, eine ehemalige Doktorandin am Stanford Center for Interface Science and Catalysis, die jetzt als Postdoktorandin am National Renewable Energy Laboratory in Colorado arbeitet. „Da die Weltbevölkerung weiter wächst, brauchen wir nachhaltige Methoden zur Herstellung von Düngemitteln – insbesondere angesichts der zunehmenden Erwärmung.“

Industrielle Düngemittel ermöglichen es Landwirten, mehr Nahrungsmittel auf weniger Land anzubauen. Doch das Haber-Bosch-Verfahren, das seit mehr als einem Jahrhundert die wichtigste Methode zur Herstellung von industriellem Ammoniak ist, ist aufgrund der dafür benötigten fossilen Brennstoffe für fast 2 % aller Kohlendioxidemissionen verantwortlich.

Zwei Prozent klingen vielleicht nicht viel, aber wir tragen Kohlendioxid schneller in die Atmosphäre ein, als der Planet es aufnehmen kann, und wir unternehmen alle Anstrengungen, um diese Zahl zu reduzieren. Das Haber-Bosch-Verfahren erzeugt jedes Jahr etwa 500 Millionen Tonnen Kohlendioxid, für dessen Aufnahme und Speicherung die Fläche fast aller Bundesländer in den USA erforderlich wäre.

Erkenntnisse aus der Studie könnten Wissenschaftlern auch dabei helfen, andere Prozesse zur Herstellung von klimaneutralem Ammoniak für andere Anwendungen zu verstehen. Dazu könnten das Recycling oder die Rückgewinnung von Düngemittelabflüssen gehören, bevor diese in Gewässer gelangen, und die Produktion von Ammoniak in Seehäfen zur Betankung von Schiffen. Die weltweite Schifffahrt verursacht weitere 3 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen, und die Verbrennung fossiler Brennstoffe ist die größte Kohlendioxidquelle aus menschlicher Tätigkeit.

„Man kann das Design von etwas nicht verbessern, wenn man nicht weiß, wie es bereits funktioniert“, sagte Blair. „Neutronen tragen zur Weiterentwicklung der Wissenschaft bei, indem sie auf atomarer Ebene Licht auf bestimmte Systeme werfen, die sonst nicht untersucht werden könnten.“

Blair nutzte bei den Experimenten eine Glovebox, was eine enge Zusammenarbeit und eine sorgfältige Gestaltung durch Doucet erforderte, damit das Projekt die begrenzte Strahlzeit optimal nutzen konnte. Bildnachweis: Genevieve Martin/ORNL, US-Energieministerium

Blair und Mat Doucet, ein leitender Wissenschaftler für Neutronenstreuung am ORNL, führten ihre Neutronenexperimente mit dem Liquids Reflectometer-Instrument an der Spallations-Neutronenquelle durch. Ihr Ziel war es, die Auswirkung des Wechselstroms auf die Bildung der Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) in einem Stickstoffreduktionsreaktionssystem zu verstehen, das unter Verwendung von Lithium als Mediator Ammoniak produziert.

Das Verständnis der SEI-Bildung ist nicht nur der Schlüssel, um die Wissenschaft hinter der elektrochemischen Produktion von Ammoniak zu erschließen, sondern auch Herstellung besserer Batterien. Die Studie stellt auch den ersten Einsatz neutronenbasierter Techniken dar, um die Bildung einer SEI-Schicht während dieser speziellen elektrochemischen Umwandlung zu beobachten.

Darüber hinaus ging aus der Studie eine einzigartige neue Neutronentechnik hervor, die zeitaufgelöste Reflektometrie. Mit dieser Technik können Wissenschaftler Neutronendaten in Schritte von wenigen Sekunden aufteilen und so mehr Details erfassen, ähnlich wie beim Ansehen eines Films Bild für Bild. Zunächst gingen Blair und Doucet davon aus, dass die beobachteten elektrochemischen Veränderungen allmählich erfolgten. Dank der neuen Technik stellten sie jedoch fest, dass Veränderungen in viel kürzeren Zeitschritten eintreten.

„Prozesse, die linear zu sein scheinen, sind bei näherer Betrachtung möglicherweise überhaupt nicht linear“, sagte Doucet. „Der schwierige Teil ist es, zu dieser Struktur als Funktion der Zeit zu gelangen. Die Technik, die wir für dieses Experiment entwickelt haben, ermöglichte uns genau das.“

Entdeckungen bei SNS legen die Wissensgrundlagen für technologische Innovationen, die das tägliche Leben der Menschen verbessern. Die von Blair und Doucet entwickelte Technik eröffnet SNS-Anwendern neue Möglichkeiten in der Elektrochemie.

Hanyu Wang, ORNL-Instrumentenwissenschaftler, der auch eng mit SNS-Benutzern zusammenarbeitet, sagte: „Diese zeitabhängigen Experimente werden Wissenschaftler anziehen, die sich mit der Chemie der Trennung befassen.“

Jim Browning, Gruppenleiter für Neutronenreflektometrie am ORNL, fügte hinzu: „Ihr Ansatz kann viele Fragen zu Trennchemie, Batterien und einer ganzen Reihe unterschiedlicher Interessenbereiche wie Energieerzeugung, Energiespeicherung und Energieeinsparung beantworten.“