27.10.2022 - Tokyo Institute of Technology

Langlebiger, kostengünstiger Katalysator reduziert den Kohlenstoff-Fußabdruck der Ammoniakproduktion

Das Haber-Bosch-Verfahren, das üblicherweise zur Synthese von Ammoniak (NH3) – dem Grundstoff für synthetische Stickstoffdünger – verwendet wird, wobei aus Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) in einer katalytischen Reaktion bei hohem Druck und hohen Temperaturen Ammoniak gewonnen wird, ist eine der wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen, die zur Verbesserung der Ernteerträge und zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion weltweit beigetragen hat.

Für das Verfahren ist jedoch ein hoher Energieeinsatz aus fossilen Brennstoffen nötig, da es hohe Temperaturen und hohen Druck erfordert. Der für diesen Prozess verwendete Wasserstoff wird aus Erdgas (hauptsächlich Methan) gewonnen. Dieser Prozess der Wasserstofferzeugung ist sehr energieaufwändig und geht mit einem enormen Ausstoß von Kohlendioxid einher. Um diese Probleme zu überwinden, wurden verschiedene Katalysatoren entwickelt, die es ermöglichen, die Reaktion unter milderen Bedingungen durchzuführen und dabei Wasserstoff zu verwenden, der durch Wasserelektrolyse mit Hilfe erneuerbarer Energien erzeugt wird. Dazu gehören Katalysatoren auf Nitridbasis, die aktive Metallnanopartikel wie Nickel und Kobalt (Ni, Co) auf Lanthannitridträgern (LaN) enthalten. Bei diesen Katalysatoren sind sowohl der Träger als auch das aktive Metall an der Herstellung von NH3 beteiligt. Das aktive Metall spaltet Wasserstoff (H2), während der LaN-Träger in seiner Kristallstruktur Stickstofflücken und Stickstoffatome enthält, die Stickstoff (N2) adsorbieren und aktivieren. Diese Katalysatoren sind zwar kostengünstig (da sie ohne das teure Ruthenium auskommen), aber ihre katalytische Leistung lässt in Gegenwart von Feuchtigkeit nach, wobei der LaN-Träger in Lanthanhydroxid (La(OH)3) umgewandelt wird.

In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht wurde, haben Forscher aus China und Japan unter der Leitung von Professor Hideo Hosono vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, einen chemisch stabilen Katalysator entwickelt, der auch in Gegenwart von Feuchtigkeit stabil ist. In Anlehnung an stabile Seltenerdverbindungen, die chemische Bindungen zwischen einem Seltenerdmetall (in diesem Fall La) und einem Metall enthalten, bauten sie Aluminiumatome in die LaN-Struktur ein und synthetisierten einen chemisch stabilen La3AlN-Träger mit La-Al-Bindungen, die verhindern, dass Lanthanatome mit Feuchtigkeit reagieren.

Der La-Al-N-Träger konnte zusammen mit den aktiven Metallen wie Nickel und Kobalt (Ni, Co) Ammoniak mit ähnlichen Raten produzieren wie herkömmliche Metallnitridkatalysatoren und eine stabile Produktion aufrechterhalten, wenn er mit Stickstoffgas, das Feuchtigkeit enthält, gespeist wurde. „Die mit Ni- oder Co-Atomen beladenen La-Al-N-Katalysatoren zeigten keinen deutlichen Abbau, nachdem sie 3,5 % Feuchtigkeit ausgesetzt waren“, so Prof. Hosono.

Während die Al-Atome den Träger stabilisierten, ermöglichten der im dotierten Träger vorhandene Gitterstickstoff und die Stickstoffdefekte die Synthese von Ammoniak in ähnlicher Weise wie bei den herkömmlichen Aktivmetall/Seltenerdmetall-Nitridkatalysatoren. „Sowohl der Gitterstickstoff als auch die Stickstofflücke in La-Al-N spielen eine Schlüsselrolle bei der N2-Adsorption, wobei der La-Al-N-Träger und das aktive Metall Ni für die N2- bzw. H2-Absorption beziehungsweise die Aktivierung verantwortlich sind“, erklärt Prof. Hosono.

Das Haber-Bosch-Verfahren ist eine energieintensive chemische Reaktion, die für etwa 1 % der weltweiten jährlichen Kohlendioxidemissionen verantwortlich ist. Während an alternativen umweltfreundlichen Ansätzen für die NH3-Produktion geforscht wird, könnte die Einführung kostengünstiger Katalysatoren unmittelbare Vorteile bringen, da der Prozess unter milderen Bedingungen ablaufen kann.

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  • Ammoniak-Synthese
  • Haber-Bosch Verfahren

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