27.11.2019 - Rice University

Ammoniaksynthese leicht gemacht mit 2D-Katalysator

Wissenschaftler entwickeln anorganisches Verfahren für die Kleinproduktion

Forscher der Rice University haben eine anorganische Methode entwickelt, um Ammoniak zu synthetisieren, das sowohl umweltfreundlich ist als auch die wertvolle Chemikalie bei Bedarf unter Umgebungsbedingungen produzieren kann.

Das Brown School of Engineering Labor des Materialwissenschaftlers Jun Lou manipulierte einen zweidimensionalen Kristall, den es gut versteht - Molybdändisulfid - und verwandelte ihn in einen Katalysator, indem es Schwefelatome aus der gitterartigen Struktur entfernte und das freiliegende Molybdän durch Kobalt ersetzte.

Dadurch konnte das Material die natürlichen organischen Prozessbakterien nachahmen, mit denen atmosphärisches Distickstoff in Organismen, auch beim Menschen, die Ammoniak zur Unterstützung der Leberfunktion verwenden, in Ammoniak umgewandelt werden.

Der anorganische Prozess ermöglicht die Herstellung von Ammoniak überall dort, wo es als kleine Ergänzung zur Industrie benötigt wird, die jedes Jahr Millionen Tonnen der Chemikalie durch den anorganischen Haber-Bosch-Prozess produziert.

"Der Haber-Bosch-Prozess produziert viel Kohlendioxid und verbraucht viel Energie", sagt Co-Autor und Reisabsolvent Xiaoyin Tian. "Aber unser Prozess nutzt Strom, um den Katalysator auszulösen. Das können wir durch Sonne oder Wind erreichen."

Die Forscher wussten bereits, dass Molybdändisulfid eine Affinität zur Bindung an Distickstoff hat, ein natürlich vorkommendes Molekül aus zwei stark gebundenen Stickstoffatomen, das etwa 78% der Erdatmosphäre bildet.

Computersimulationen von Mingjie Liu, einem Forschungsmitarbeiter am Brookhaven National Laboratory, zeigten, dass der Austausch einiger exponierter Molybdänatome durch Kobalt die Fähigkeit der Verbindung verbessern würde, die Reduktion von Distickstoff zu Ammoniak zu erleichtern.

Labortests in Rice zeigten, dass dies der Fall war. Die Forscher sammelten Proben des nanoskaligen Materials, indem sie defekte Molybdändisulfidkristalle auf Kohlenstoffgewebe züchteten und Kobalt zusetzten. (Die Kristalle sind technisch 2D, erscheinen aber als Ebene von Molybdänatomen mit Schwefelschichten darüber und darunter.) Bei aktuellem Einsatz ergab die Verbindung mit 1 Kilogramm Katalysator mehr als 10 Gramm Ammoniak pro Stunde.

"Die Skala ist nicht mit gut entwickelten industriellen Prozessen vergleichbar, kann aber in Einzelfällen eine Alternative sein", sagt Co-Leiter Jing Zhang, Postdoc bei Rice. "Es wird die Herstellung von Ammoniak dort ermöglichen, wo es keine Industrieanlagen gibt, und sogar in der Raumfahrt." Er sagte, dass Laborexperimente spezielle Distickstoff-Futtermittel verwendeten, aber die Plattform kann sie genauso leicht aus der Luft ziehen.

Lou sagte, dass andere Dotierstoffe dem Material erlauben könnten, andere Chemikalien zu katalysieren, ein Thema für zukünftige Studien. "Wir dachten, es gäbe hier eine Gelegenheit, etwas, das uns sehr vertraut ist, zu nutzen und zu versuchen, das zu tun, was die Natur seit Milliarden von Jahren tut", sagte er. "Wenn wir einen Reaktor richtig konstruieren, kann die Plattform ihre Funktion ohne Unterbrechung erfüllen."

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