Das Haber-Bosch (HB)-Verfahren ist eine der wichtigsten industriellen chemischen Reaktionen. Es kombiniert Stickstoff- und Wasserstoffgase in Gegenwart eines auf Eisen basierenden Katalysators bei hohen Temperaturen und Drücken, um Ammoniakdünger herzustellen, der zur Ernährung von über fünf Milliarden Menschen beiträgt.
Im Laufe der Jahrzehnte haben Forscher versucht, die Reaktionstemperatur des HB-Prozesses zu senken, um die Ammoniakausbeute zu erhöhen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken. Zu diesem Zweck haben sie kürzlich neue Katalysatoren auf Basis anderer Übergangsmetalle wie Ruthenium, Kobalt und Nickel entwickelt, die eine viel höhere katalytische Aktivität als Eisen aufweisen.
Allerdings adsorbieren diese Katalysatoren bei niedrigen Temperaturen von 100–150 °C vorzugsweise Wasserstoffatome auf ihrer Oberfläche, was die Stickstoffadsorption verringert und somit die Ammoniakproduktion behindert. Dieses als Wasserstoffvergiftung bekannte Phänomen stellt ein Hindernis für den Niedertemperatur-HB-Prozess dar.
Vor diesem Hintergrund haben sich Forscher unter der Leitung von Professor Michikazu Hara vom Laboratory for Materials and Structures am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) wieder auf Katalysatoren auf Eisenbasis konzentriert und sie so modifiziert, dass sie bei 100 °C Ammoniak produzieren. Ihre Arbeit soll im veröffentlicht werden Zeitschrift der American Chemical Society.
Prof. Hara erklärt die Motivation hinter der Forschung. „Die Wasserstoffvergiftung ist bei eisenbasierten Katalysatoren nicht stark. Daher können sie für den Niedertemperatur-HB-Prozess verwendet werden, aber nur in Kombination mit einem geeigneten Promotor, der ihre katalytische Aktivität erhöht.“ In dieser Arbeit präparierten die Forscher Nanopartikel aus metallischem Eisen (Fe) auf Calciumhydrid (CaH2)-Partikeln, auf denen eine Mischung aus Bariumoxid (BaO) und Bariumhydrid (BaH2) abgeschieden wurde.
Eine Reihe von Experimenten zeigte, dass die Eisennanopartikel stark mit den Hydridionen beider Hydride wechselwirken. Infolgedessen bewegen sich Wasserstoffatome von den Hydriden zu den Nanopartikeln und werden als Wasserstoffgas desorbiert, wobei Elektronen zurückbleiben. Die Hydride geben diese Elektronen an die Eisen-Nanopartikel ab. Es erleichtert das Aufbrechen von Stickstoffgas in Atome, was zu einer verbesserten katalytischen Aktivität für die Ammoniakproduktion selbst bei niedrigen Temperaturen führt.
Der BaH2-BaO/Fe/CaH2-Katalysator zeigte eine Turnover-Frequenz von 0,23 s-1 bei 100 oC und 12,3 s-1 bei 300 oC unter einem moderaten Druck von 0,9 MPa. Diese Werte, die um Größenordnungen höher sind als die für Katalysatoren auf Basis anderer Übergangsmetalle, resultieren aus der Fähigkeit von Eisen, eine Wasserstoffvergiftung zu verhindern, indem es die adsorbierten Wasserstoffatome als Wasserstoffgas bei niedrigen Temperaturen desorbiert.
In Bezug auf das zukünftige Potenzial ihrer Arbeit stellt Prof. Hara fest: „Der BaH2-BaO/Fe/CaH2-Katalysator erleichtert den Niedertemperatur-HB-Prozess, der weniger Energie verbraucht. Als solcher kann er den Einsatz fossiler Brennstoffe und möglicherweise den globalen Verbrauch reduzieren Kohlenstoffemissionen. Darüber hinaus ist Eisen reichlich vorhanden und kostengünstig, was den HB-Prozess nachhaltiger macht.“
Mehr Informationen:
Michikazu Hara et al, Niedertemperatur-Ammoniaksynthese an einem Eisenkatalysator mit einem Elektronendonor, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.2c13015