Neuartiges Solarsystem wandelt Nitrat im Abwasser in hochwertiges Ammoniak um
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Ein mit der UNIST verbundenes Forschungsteam hat eine bahnbrechende Technologie vorgestellt, die Nitrate aus dem Abwasser in Ammoniak umwandelt, eine lebenswichtige Chemikalie und ein vielversprechender Energieträger, und zwar ohne Kohlenstoffemissionen. Dieser Fortschritt bietet nicht nur eine nachhaltige Methode zur Ammoniakproduktion, sondern trägt auch zur Abwasserreinigung bei.
Das Forscherteam unter der Leitung der Professoren Kwanyong Seo und Ji-Wook Jang von der School of Energy Chemistry am UNIST gab bekannt, dass es erfolgreich ein solarbetriebenes photoelektrochemisches (PEC) System entwickelt hat, das in der Lage ist, Nitratschadstoffe unter Umgebungsbedingungen in Ammoniak umzuwandeln.
Ammoniak ist eine wichtige Chemikalie, die weltweit in der Landwirtschaft und der Industrie verwendet wird und deren jährlicher Verbrauch 150 Millionen Tonnen übersteigt. Sein hoher Wasserstoffgehalt macht es außerdem zu einem vielversprechenden Kandidaten für Energiespeicher- und Transportlösungen der nächsten Generation. Die vorherrschende industrielle Methode - das Haber-Bosch-Verfahren - ist jedoch stark auf hohe Temperaturen und hohen Druck angewiesen, was zu erheblichen Treibhausgasemissionen führt.
Ihr innovatives PEC-System nutzt das Sonnenlicht, um die Nitratreduzierung ohne externe elektrische Energie voranzutreiben, und nutzt Abwasser als Rohstoff. Wenn Nitrate in hohen Konzentrationen vorhanden sind, stellen sie ein Gesundheitsrisiko dar, wie z. B. Methämoglobinämie und Magenkrebs. Mit der neuen Technologie werden Nitrate selektiv zu Ammoniak reduziert, was sowohl der Wasserverschmutzung als auch der nachhaltigen Ammoniaksynthese entgegenwirkt.
Das System besteht aus einer Photokathode auf Siliziumbasis, die mit einem Nickelfolienkatalysator gepaart ist. Das Sonnenlicht regt das Silizium an und erzeugt Elektronen, die dann über den Nickelkatalysator geleitet werden, um Nitrate zu Ammoniak zu reduzieren. Eine wesentliche Innovation besteht in der Bildung einer dünnen Schicht Nickelhydroxid (Ni(OH)₂) auf der Katalysatoroberfläche während des Betriebs, die konkurrierende Reaktionen wie die Wasserstoffentwicklung unterdrückt und die Selektivität für die Ammoniakproduktion erhöht.
Dieser Mechanismus wurde durch umfangreiche Experimente und quantenmechanische Berechnungen bestätigt. Professor Suthsu Ryu vom Fachbereich Physik der UNIST wies mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (DFT) nach, dass Ni(OH)₂ aktive Stellen bietet, die die Nitratreduktion zu Ammoniak begünstigen und die beteiligten Energiebarrieren senken.
Bemerkenswerterweise erreichte das System eine rekordverdächtige Ammoniakproduktionsrate von 554 Mikrogramm pro Quadratzentimeter pro Stunde ohne jegliche externe Vorspannung und übertraf damit frühere Technologien um mehr als 50 %. Das System behielt seine Leistung auf einer größeren Fläche von 25 cm² bei, was auf ein vielversprechendes Potenzial für die praktische Anwendung hinweist.
Professor Seo betonte: "Die Umwandlung von Nitratschadstoffen in Ammoniak reinigt nicht nur das Wasser, sondern trägt auch zur Kohlenstoffneutralität bei. Unser Ziel ist es, groß angelegte, praktische PEC-Geräte zu entwickeln, die in der Lage sind, Ammoniak im Freien zu produzieren und dabei direkt Sonnenlicht und Abwasser als Ressourcen zu nutzen."
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Originalveröffentlichung
Wonjoo Jin, Hyunju Go, Juyeon Jeong, “Nickel Hydroxide Catalyzed Bias-free Photoelectrochemical NH3 Production via Nitrate Reduction,” Adv., Mat., (2025).
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