01.09.2022 - Tsinghua University

Neue Herstellungsmethode für Ammoniak könnte Türen für alternative Kraftstoffe und Energiespeicherung öffnen

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Ammoniak, eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff (NH3), die allgemein für ihre Verwendung als Haushaltsreiniger bekannt ist, könnte als alternativer Kraftstoff für Fahrzeuge oder als potenzielles Energiespeichermedium verwendet werden. Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoffoxid (NO) in großem Maßstab sind jedoch nicht energieeffizient, und einige der neueren Versuche, Ammoniak aus einer NO-Reduktionsreaktion zu erzeugen, haben eine geringe Ammoniakausbeute. Jetzt haben Forscher der Tsinghua University Press in China eine umweltfreundliche, energieeffiziente Methode zur Herstellung von Ammoniak durch eine elektrokatalytische NO-Reduktionsreaktion entwickelt.

Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Nanoforschung Energie am 07. Juli veröffentlicht.

"Die NH3-Produktion auf industrieller Ebene stützt sich immer noch stark auf das Haber-Bosch-Verfahren, das aufgrund der trägen Kinetik drastische Reaktionsbedingungen erfordert, und der Energieaufwand des Prozesses führt unweigerlich zu einer großen Menge an Treibhausgasemissionen", so der korrespondierende Autor Xijun Liu von der School of Resource, Environments and Materials an der Guangxi University in Nanning, China. Sein Verweis auf das Haber-Bosch-Verfahren spielt auf eines der ersten - und seit seiner Entwicklung in den frühen 1900er Jahren auch eines der gängigsten - NH3-Produktionsverfahren an.

Aufgrund dieser Nachteile haben frühere Forschungen die elektrokatalytische - einfach gesagt, ein Katalysator in einer elektromagnetischen Reaktion - Ammoniakproduktion in Wasser untersucht, da sie kohlenstofffrei ist, wobei Materialien auf Edelmetallbasis, Materialien auf Kohlenstoffbasis und einatomige Katalysatoren verwendet wurden. Die Ausbeute war jedoch weitaus geringer als das Ziel des US-Energieministeriums, so die Forscher.

Die Forscher untersuchten die NO-Reduktion (NORR) zu Ammoniak mit Hilfe der Synthese eines nanoporösen Vanadiumnitrid-Films (VN), der auf einem Kohlenstofffasergewebe (np-VN/CF) getragen wird. Sie testeten die neue Methode, deren Neuheit darin besteht, dass sie vorhandene VN-Filmmaterialien auf eine neue Art und Weise und für einen neuen Zweck verwendet, mit einer Zink-Stickstoffoxid-Batterie.

"Dieser Katalysator zeigt eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Ammoniakausbeute, wenn er als Kathode in einer selbstgebauten Zn-NO-Batterie verwendet wird", sagte Liu. "Wir haben auch festgestellt, dass die Faraday-Effizienz ¾ oder wie gut die Elektronen oder die Ladung bei einer elektrochemischen Umwandlung ¾ übertragen werden, verbessert wurde. Die erzielten NORR-Leistungskennzahlen sind mit den kürzlich berichteten besten Ergebnissen vergleichbar."

Der hohe Faraday-Wirkungsgrad kann zum Teil darauf zurückgeführt werden, dass ein Teil des Stickstoffs in das Kohlenstofffasergewebe "dotiert" wurde, wodurch es mit größerer Wahrscheinlichkeit eine hohe Leitfähigkeit aufweist und somit die Ladungsübertragung begünstigt.

Um die Methode mit der Batterie zu testen, leiteten die Forscher NO-Gas in die Kathodenkammer - den negativ geladenen Teil einer Batterie - ein, die durch eine bipolare Membran von der positiven Ladung getrennt war. Die erzielte Leistung der Zn-NO-Batterie übertraf laut den Forschern die zuvor berichteten Ergebnisse. Die bei den Experimenten erzielten Messwerte wurden in einem Drei-Elektroden-System getestet und mit der NORR-Aktivität eines kommerziellen VN-Pulvers - im Gegensatz zu einem auf ein Kohlefasertuch gegossenen Film - verglichen. Die VN-Filmversion übertraf die Pulverversion, die in früheren Forschungen verwendet worden war, bei allen Messungen. Die Forscher führten auch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie durch, um einen tieferen Einblick in NORR zu erhalten.

"Unsere Arbeit zeigt die potenzielle Anwendung nanoporöser Materialien für eine leistungsstarke elektrochemische NH3-Produktion", sagte Liu.

Zu den nächsten Forschungsschritten gehören Bemühungen, das in diesem Experiment demonstrierte Konzept zu skalieren.

"Diese Arbeit bestätigt, dass die Elektroreduktion von NO eine vielversprechende Strategie für die Ammoniaksynthese in der Umgebung ist, die kontinuierlich weiterentwickelt werden sollte", so Liu.

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