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Ammoniak "grüner" machen

Kleinere Ammoniakaufbereitungsanlagen auf Basis alternativer Energien

15.01.2019

Case Western Reserve University

Dies ist eine grafische Darstellung, die das protonierte Wasser zeigt, das mit Stickstoffmolekülen reagiert und an einer Plasma-Flüssigkeit-Grenzfläche Ammoniak bildet.

Ammoniak, eine Verbindung, die erstmals vor etwa einem Jahrhundert synthetisiert wurde, hat Dutzende von modernen Anwendungen und ist für die Herstellung des Düngers unerlässlich geworden, der heute den größten Teil unserer weltweiten Nahrungsmittelproduktion unterstützt.

Aber während wir seit den 1930er Jahren Ammoniak im großen Stil produzieren, wurde es hauptsächlich in riesigen Chemieanlagen eingesetzt, die große Mengen an Wasserstoffgas aus fossilen Brennstoffen benötigen - und macht Ammoniak zu einem der energieintensivsten aller großvolumigen Chemikalien.

Ein Forscherteam an der Case Western Reserve University - eine Expertin für elektrochemische Synthese, der andere für Plasmenanwendungen - arbeitet daran, das zu beheben.

Die Forscher Julie Renner und Mohan Sankaran haben eine neue Methode entwickelt, um Ammoniak aus Stickstoff und Wasser bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck herzustellen. Sie haben es bisher in einem Labor erfolgreich gemacht, ohne Wasserstoff oder den in traditionellen Prozessen notwendigen Festmetallkatalysator zu verwenden.

"Unser Ansatz - ein elektrolytischer Prozess mit Plasma - ist völlig neu", sagte Mohan Sankaran, Goodrich Professor für technische Innovation an der Case School of Engineering.

Plasmen, oft auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet (außer fest, flüssig oder gasförmig), sind ionisierte Gaswolken, die aus positiven Ionen und freien Elektronen bestehen und ihm die einzigartige Fähigkeit verleihen, chemische Bindungen, einschließlich des recht anspruchsvollen Stickstoffmoleküls, bei Raumtemperatur zu aktivieren.

Renner, ein Climo Assistant Professor in der Abteilung Chemical and Biomolecular Engineering, fügte hinzu, dass dieses neue Verfahren, da es weder Hochdruck noch Hochtemperatur oder Wasserstoff benötigt, es skalierbar macht - die ideale Technologie für eine viel kleinere Anlage, eine mit hohem Potenzial, mit erneuerbaren Energien betrieben zu werden".
Eine neue, alte Methode entsteht

Renner und Sankaran haben ein Element aus einer wenig bekannten norwegischen Methode wiederbelebt, die vor Haber-Bosch (dem Birkeland-Eyde-Prozess) lag, der Stickstoff und Sauerstoff zu Nitraten reagierte, einer weiteren Chemikalie, die in der Landwirtschaft verwendet werden kann. Dieser Prozess verlor Haber-Bosch vor allem deshalb, weil er noch mehr Energie in Form von Strom benötigte, einer begrenzten Ressource zu Beginn des 20. Jahrhunderts.

"Unser Ansatz ähnelt der elektrolytischen Synthese von Ammoniak, die als Alternative zu Haber-Bosch interessant geworden ist, weil sie mit erneuerbaren Energien integriert werden kann", sagte Sankaran. "Wie beim Birkeland-Eyde-Prozess verwenden wir jedoch ein Plasma, das energieintensiv ist. Strom ist immer noch ein Hindernis, aber jetzt weniger, und mit dem Anstieg der erneuerbaren Energien wird er in Zukunft vielleicht überhaupt kein Hindernis mehr sein.

"Und vielleicht am wichtigsten ist, dass unser Prozess kein Wasserstoffgas erzeugt", sagte er. "Dies war der größte Engpass anderer elektrolytischer Ansätze zur Bildung von Ammoniak aus Wasser (und Stickstoff), der unerwünschten Bildung von Wasserstoff."

Der Renner-Sankaran-Prozess verwendet auch keinen Festmetallkatalysator, der einer der Gründe dafür sein könnte, dass anstelle von Wasserstoff Ammoniak gewonnen wird.

"In unserem System wird das Ammoniak an der Grenzfläche zwischen einem Gasplasma und einer flüssigen Wasseroberfläche gebildet und bildet sich frei in Lösung", sagte Sankaran.

Bisher waren die "Table-Top-Chargen" des Duos aus Ammoniak sehr klein und die Energieeffizienz ist noch geringer als bei Haber-Bosch. Aber mit kontinuierlicher Optimierung könnte ihre Entdeckung und Entwicklung eines neuen Verfahrens eines Tages zu kleineren, lokaleren Ammoniakanlagen führen, die grüne Energie nutzen.

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