Ein neuer Weg zur effizienteren Herstellung von Ammoniak
Durch die Steigerung der Ammoniakproduktion könnte der Preis für Strom aus Wasserstoff sinken
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Ammoniak wird in Düngemitteln und vielen industriellen Verfahren verwendet. Es gilt auch als vielversprechender Weg zur Speicherung und zum Transport von Energie, da Ammoniak sicherer und einfacher zu handhaben ist als Wasserstoffgas. Mit Hilfe von Plasma, dem vierten Aggregatzustand der Materie, haben Wissenschaftler ein Material entwickelt, das die Ammoniakproduktion steigert.
"Wenn man industriellen Wasserstoff an einem anderen Ort braucht als dort, wo er hergestellt wird, ist es einfacher und sicherer, Wasserstoff als Ammoniak zu transportieren und zu lagern, bis er gebraucht wird. Idealerweise würde man das Ammoniak dann dort abbauen, wo der Wasserstoff benötigt wird", sagte Emily Carter, leitende strategische Beraterin und stellvertretende Labordirektorin für die Direktion Angewandte Materialien und Nachhaltigkeitswissenschaften (Applied Materials and Sustainability Sciences, AMSS) des US-Energieministeriums
(DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). "Man braucht also Methoden, um Ammoniak effizient und kostengünstig zu synthetisieren und in Wasserstoff zu zerlegen, und an beidem arbeiten wir am PPPL in der Abteilung für elektrotechnische Wissenschaft des AMSS."
Die Forschungsarbeit wurde von einem multidisziplinären Team aus verschiedenen Institutionen durchgeführt, darunter das PPPL des DOE und das Oak Ridge National Laboratory, die Princeton University, die Rutgers University und die Rowan University. Ein wissenschaftlicher Artikel über die Arbeit wurde kürzlich in ACS Energy Letters veröffentlicht.
"Die derzeitige Methode zur Herstellung von Ammoniak ist teuer", so Zhiyuan Zhang, Doktorand an der Rutgers University-Newark und Hauptautor der Forschungsarbeit. "Man braucht eine große Fabrik, um das Ammoniak mit Verfahren herzustellen, die extreme Temperaturen und Drücke erfordern.
Speicherung und Transport von Wasserstoff in Form von Ammoniak
Ammoniak kann als Träger für Wasserstoff verwendet werden, d. h. es kann die Chemikalie speichern und transportieren, bevor sie zur Energiegewinnung in Wasserstoff umgewandelt wird. Für die Herstellung von Wasserstoff sind große Produktions- und Speicheranlagen erforderlich. Mit dieser neuen Methode könnte Ammoniak in weitaus kleineren Anlagen hergestellt werden, die sich näher am Ort des Bedarfs befinden - möglicherweise sogar vor Ort. Wenn das Ammoniak über große Entfernungen transportiert werden muss, wäre auch dies kostengünstiger.
"Wasserstoff hat eine sehr geringe Energiedichte, und es ist äußerst schwierig, Wasserstoff zu transportieren. Ammoniak hat eine höhere Energiedichte - doppelt so hoch wie komprimierter Wasserstoff - und lässt sich leichter über weite Strecken transportieren als Wasserstoff", so Yiguang Ju, leitender Forschungsphysiker, Leiter der Abteilung für elektrotechnische Forschung am PPPL und Professor an der Princeton University. "Dies könnte einen transformativen Wandel in der Energiespeicherung und im Transportwesen einleiten."
PPPL: Führend bei Niedertemperatur-Plasmasimulationen
Mark Martirez, der stellvertretende Berater für Nachhaltigkeitswissenschaft bei AMSS und Forschungsphysiker, erstellt nun Simulationen einiger der in der neuen Arbeit beschriebenen Experimente, damit das Team vollständig verstehen kann, was während der chemischen Reaktion auf atomarer Ebene geschieht. "Simulationen sind unerlässlich, um den Mechanismus vollständig zu verstehen, den die chemische Spezies durchläuft, um Ammoniak aus Wasser und Stickstoff zu erzeugen", so Martirez. "Sie konnten die Positionen der verschiedenen Atome nur auf der Grundlage eines Bildes des Experiments erraten. Martirez verfügt über ein seltenes Verständnis der Quantenchemie, die an diesem Prozess beteiligt ist, der allgemein als Plasmakatalyse bezeichnet wird und ein relativ neues Gebiet ist.
Anstelle der hohen Hitze und des hohen Drucks, die für die thermische Katalyse erforderlich sind - die alte Methode zur Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff - verwendet die neue Methode Elektrizität, Wasser, Stickstoff und Niedertemperaturplasma. Im Niedertemperaturplasma sind die ungeladenen Moleküle relativ kühl oder haben Raumtemperatur. Die Elektronen sind jedoch sehr heiß. Die Elektronen haben genug Energie, um die Oberfläche von Katalysatoren zu verändern, indem sie bestimmte Atome herausschlagen und Stickstoff- oder Wasserstoffatome in ihre äußersten Schichten implantieren.
Ein Katalysator ist ein Stoff, der chemische Reaktionen beschleunigt, ohne sich dabei zu verändern. Der in den Experimenten verwendete Katalysator hat eine einzigartige Struktur, die energieeffizientere chemische Umwandlungen ermöglicht. Die Wissenschaftler bezeichnen diese Struktur als heterogenen Grenzflächenkomplex (HIC).
"Die Katalysatoren, Wolframoxid und Wolframoxynitrid, sind nicht neu. Was neu ist, ist die Struktur und die plasmagestützte Methode zu ihrer kontrollierbaren und skalierbaren Herstellung", sagte Huixin He, Professor an der Rutgers University und einer der Hauptverantwortlichen für die Forschung.
Die Struktur des Katalysators ist der Schlüssel zu seiner Effizienz
Das spezielle Design des HIC trägt dazu bei, dass hochaktive Wasserstoffatome genau dort entstehen, wo sie benötigt werden, um winzige Hohlräume, so genannte Stickstofflücken, zu bilden, die perfekt für ein Stickstoffmolekül geeignet sind. Diese Eigenschaften wirken zusammen: Die Wasserstoffatome wandeln den Stickstoff in Ammoniak um, und die leeren Stellen ziehen weiteren Stickstoff aus der Luft an, um den Prozess in Gang zu halten. Mit dieser Methode lässt sich die Menge des erzeugten Ammoniaks im Vergleich zu älteren Verfahren erheblich steigern. Außerdem werden unerwünschte Nebenreaktionen, wie die Bildung von Wasserstoffgas anstelle von Ammoniak, minimiert.
"Der Prozess der Herstellung dieses Katalysators konnte von etwa zwei Tagen auf 15 Minuten verkürzt werden", so Zhang. Auch hinsichtlich der Menge des erzeugten Ammoniaks übertraf das Verfahren andere ähnliche Methoden. Die Forscher werden weiterhin Möglichkeiten zur Verbesserung der Ammoniakproduktion mit dem HIC-Katalysator untersuchen.
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Originalveröffentlichung
Zhiyuan Zhang, Christopher Kondratowicz, Jacob Smith, Pavel Kucheryavy, Junjie Ouyang, Yijie Xu, Elizabeth Desmet, Sophia Kurdziel, Eddie Tang, Micheal Adeleke, Aditya Dilip Lele, John Mark Martirez, Miaofang Chi, Yiguang Ju, Huixin He; "Plasma-Assisted Surface Nitridation of Proton Intercalatable WO3 for Efficient Electrocatalytic Ammonia Synthesis"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-6-22
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