01.09.2021 - Tokyo Institute of Technology

Ammoniak spalten: Neuer Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff aus Ammoniak bei niedrigen Temperaturen

Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak mit einem hochmodernen Nickelkatalysator mit Kalziumträger

Der derzeitige globale Klimanotstand und unsere rasch schwindenden Energieressourcen lassen die Menschen nach saubereren Alternativen wie Wasserstoffkraftstoff Ausschau halten. Bei der Verbrennung in Gegenwart von Sauerstoff erzeugt Wasserstoffgas große Mengen an Energie, aber im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen keine schädlichen Treibhausgase. Leider wird der größte Teil des heute produzierten Wasserstoffs aus Erdgas oder fossilen Brennstoffen gewonnen, was letztlich die Kohlenstoffbilanz erhöht.

Ammoniak (NH3), eine kohlenstoffneutrale Wasserstoffverbindung, hat in letzter Zeit aufgrund seiner hohen Energiedichte und seiner hohen Wasserstoffspeicherkapazität viel Aufmerksamkeit erregt. Es kann unter Freisetzung von Stickstoff und Wasserstoff zersetzt werden. Ammoniak lässt sich leicht verflüssigen, lagern und transportieren und bei Bedarf in Wasserstoff umwandeln. Die Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak ist jedoch eine langsame Reaktion mit sehr hohem Energiebedarf. Um die Produktion zu beschleunigen, werden häufig Metallkatalysatoren verwendet, die ebenfalls dazu beitragen, den Gesamtenergieverbrauch bei der Wasserstoffproduktion zu senken.

Jüngste Studien haben ergeben, dass Nickel (Ni) ein vielversprechender Katalysator für die Spaltung von Ammoniak ist. Ammoniak wird an der Oberfläche von Ni-Katalysatoren adsorbiert, woraufhin die Bindungen zwischen Stickstoff und Wasserstoff im Ammoniak gebrochen werden und sie als einzelne Gase freigesetzt werden. Um eine gute Umwandlung von Ammoniak mit einem Ni-Katalysator zu erreichen, sind jedoch oft sehr hohe Betriebstemperaturen erforderlich.

In einer kürzlich in ACS Catalysis veröffentlichten Studie beschreibt ein Forscherteam der Tokyo Tech unter der Leitung von Associate Professor Masaaki Kitano eine Lösung zur Überwindung der Probleme von Katalysatoren auf Ni-Basis. Sie entwickelten einen hochmodernen Kalziumimid (CaNH)-gestützten Ni-Katalysator, der eine gute Ammoniakumwandlung bei niedrigeren Betriebstemperaturen ermöglicht. Dr. Kitano erklärt: "Unser Ziel war es, einen hochaktiven Katalysator zu entwickeln, der energieeffizient ist. Die Zugabe des Metallimids zum Katalysatorsystem verbesserte nicht nur dessen katalytische Aktivität, sondern half uns auch, den schwer fassbaren Funktionsmechanismus solcher Systeme zu entschlüsseln."

Das Team entdeckte, dass die Anwesenheit von CaNH zur Bildung von NH2-Lücken (VNH) auf der Oberfläche des Katalysators führte. Diese aktiven Spezies führten zu einer verbesserten katalytischen Leistung des Ni/CaNH-Katalysators bei Reaktionstemperaturen, die 100 °C niedriger waren als die für das Funktionieren von Katalysatoren auf Ni-Basis erforderlichen Temperaturen. Die Forscher entwickelten auch Berechnungsmodelle und führten Isotopenmarkierungen durch, um zu verstehen, was auf der Katalysatoroberfläche geschieht. Die Berechnungen schlugen einen Mars-van Krevelen-Mechanismus vor, der die Adsorption von Ammoniak an der CaNH-Oberfläche, seine Aktivierung an den NH2- Leerstellen, die Bildung von Stickstoff und Wasserstoffgas und schließlich die Regeneration der Leerstellen durch Ni-Nanopartikel umfasst.

Der hochaktive und langlebige Ni/CaNH-Katalysator kann erfolgreich für die Erzeugung von Wasserstoffgas aus Ammoniak eingesetzt werden. Die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse über den Mechanismus der Katalyse können auch zur Entwicklung einer neuen Generation von Katalysatoren genutzt werden. "Da die ganze Welt zusammenarbeitet, um eine nachhaltige Zukunft zu schaffen, zielt unsere Forschung darauf ab, die Probleme auf dem Weg zu einer saubereren Wasserstoffwirtschaft zu lösen", schließt Dr. Kitano.

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