UCF-Forscher entdecken Schlüsselmechanismen für eine nachhaltige Ammoniakproduktion

Ein Forschungsteam der University of Central Florida hat gemeinsam mit Mitarbeitern der Virginia Tech wichtige Ergebnisse zur elektrochemischen Synthese von Ammoniak veröffentlicht, die die nachhaltige Düngemittelforschung vorantreiben und so die weltweiten Bemühungen zur Lebensmittelsicherheit unterstützen.

Ammoniak, eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Düngemittel für die Lebensmittelproduktion. Allerdings ist seine primäre Produktionsmethode, die Haber-Bosch-Methode, energie- und treibstoffintensiv, verbraucht 3 bis 5 % der weltweiten Erdgasproduktion und ist für mehr als 1 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich.

Mithilfe des Metalls Ruthenium als Katalysator identifizierten die Forscher den effizientesten Weg, Ammoniak durch eine nachhaltigere Produktionsmethode herzustellen – elektrochemisch. Diese Produktionsmethode kann nachhaltiger sein, wenn Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind für die elektrochemische Synthese genutzt wird, sagen die Forscher.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in ACS Energy Letters veröffentlicht.

Zwar gibt es viele Forschungsanstrengungen zur elektrochemischen Ammoniakproduktion, die zugrunde liegenden Mechanismen müssen jedoch noch besser verstanden werden, sagen die Forscher.

Diese neue Forschung trägt jedoch dazu bei, ein klareres Bild des Reaktionsmechanismus zu liefern, sagt der Co-Autor der Studie, Xiaofeng Feng, Professor am Department of Physics der UCF

„Die Ergebnisse dieser tiefgreifenden Arbeit können Forschern wichtige Hinweise zur Entwicklung effizienterer Katalysatoren für eine nachhaltige Ammoniakproduktion geben“, sagt Feng.

Wie sie die Arbeit erledigten

Die optimale Bindungsstärke von Ruthenium an Reaktionszwischenprodukte macht es zu einem der aktivsten Katalysatoren für die Stickstoffreduktionsreaktion, bei der Ammoniak durch die Verbindung von Stickstoff mit Wasserstoff aus Wassermolekülen entsteht.

Mithilfe der Atomlagenabscheidung konnten die Forscher die synthetisierten Nanomaterialien auf atomarer Ebene sehr präzise steuern und so Ruthenium-Nanopartikel im Bereich von zwei bis acht Nanometern testen.

Forscher entdeckten, dass beim Schichten von Rutheniumatomen in einer katalytischen Struktur eine spezielle Anordnung von Rutheniumoberflächenatomen – die sogenannte D5-Stufenstelle – die aktivste Stelle für die elektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion war.

Im Gegensatz zu anderen Stellen verfügt die D5-Stufenstelle über das „perfekte Gleichgewicht“, das die Bildung des N2H-Zwischenprodukts begünstigt und nicht durch das NH2-Zwischenprodukt vergiftet oder unfähig gemacht wird, neue Moleküle zu adsorbieren und zu reagieren, sagen die Forscher.

Es wurde festgestellt, dass Ruthenium-Nanopartikel mit einer Größe von etwa vier Nanometern die beste katalytische Leistung für die Stickstoffreduktionsreaktion aufweisen. Die Aktivität erreichte ihren Höhepunkt bei vier Nanometern und sank dann mit der Verdoppelung der Partikelgröße um das Fünffache ab, was den entscheidenden Einfluss der Rutheniumpartikelgröße auf die Katalyse verdeutlicht.

Die früheren Arbeiten der Forscher zur Verbesserung der Effizienz der elektrochemischen Produktion von Ammoniak halfen der aktuellen Studie, indem sie das mechanistische Verständnis und die Forschungsmethodik lieferten.

Verbundforschung

Die neue Forschung ist eine Zusammenarbeit zwischen drei Forschungsteams.

Feng und seine Studenten charakterisierten die Rutheniumproben und untersuchten sie als Katalysatoren für die elektrochemische Produktion von Ammoniak. Der Co-Autor der Studie, Parag Banerjee, Professor am Department of Materials Science & Engineering der UCF, und seine Studenten konzentrierten sich in Banerjees Labor auf die präzise Synthese von Rutheniummetall-Nanopartikeln.

Darüber hinaus führten der Virginia Tech-Professor Hongliang Xin und sein Student Computerstudien durch, um die Atomstruktur zu modellieren und zu identifizieren, die für die höchste katalytische Leistung verantwortlich ist.

Die Forscher planen eine weitere Zusammenarbeit, um mithilfe der Atomlagenabscheidung komplexere, effizientere Materialien für eine nachhaltige Ammoniakproduktion zu entwickeln, sagt Feng.

Sie werden die Katalysatormaterialien auch in fortschrittlichen Elektrolysegeräten einsetzen, um die Ausbeute und Effizienz der elektrisch betriebenen Ammoniakproduktion zu verbessern.

Referenzen als Forscher

Feng erhielt 2013 seinen Doktortitel in Materialwissenschaften und -technik von der University of California, Berkeley und kam 2016 als Assistenzprofessor am Fachbereich Physik an die UCF. Die Forschung in seinem Labor wird durch ein CAREER Award-Stipendium der US National Science Foundation unterstützt.

Banerjee promovierte 2011 in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der University of Maryland und kam 2018 zur UCF.

Die Arbeit in Banerjees Labor wurde teilweise von der US National Science Foundation und EMD Performance Materials unterstützt. Banerjee und Feng sind beide Mitglieder des Renewable Energy and Chemical Transformations (REACT)-Clusters, was die Zusammenarbeit erleichterte und weitere zukünftige Möglichkeiten ermöglichte.